双自由度涡激振动涡强尾流振子模型的研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文双自由度涡激振动的涡强尾流振子模型研究博士研究生：秦伟指导教师：宋儒鑫教授学位级别：工学博士学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2013年4月论文答辩日期：2013年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngStudyonVortexInducedVibrationinTwoDegreesofFreedomUsingVortexStrengthWakeOscilla

2、torCandidate:QinWeiSupervisor:Prof.SongRuxinAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringDesignandConstructionofNavalArchitectureSpecialty:andOceanStructureDateofSubmission:Apr.,2013DateofOralExamination:Jun.,2013University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：

3、本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔

4、滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日双自由度涡激振动的涡强尾流振子模型研究摘要涡激振动是导致深水立管疲劳损伤的一个重要因素，关于圆柱状结构体涡激振动机理的研究正逐步趋于完善。

5、现阶段提出的大量涡激振动预报模型主要针对圆柱体的单自由度横向振动，而结构在顺流向上的振动往往被限制或者忽略。最近的研究表明，对于海洋立管这种低质量比结构，涡激振动导致顺流向的疲劳损伤与横向上的疲劳损伤在同一量级。因此，正确地认识和描述顺流向和横向的双向涡激振动特性，全面地预报和评估立管结构的综合疲劳寿命，对保证海洋工程结构物的经济效益和服役期的安全运行有着重要的意义。本文针对结构的双向涡激振动问题开展了一系列研究，建立了一种具有工程实际意义的半经验模型来预报刚性圆柱体和细长柔性立管的顺流向和横向涡激振动响应。论文的主要内容和成果包括：(1)

6、系统地归纳和评述了圆柱体双向涡激振动的研究现状和成果，阐释了涡激振动相关的若干物理概念和基本物理参数，总结了现有的涡激振动半经验性模型。(2)基于二维离散点涡方法推导出流体对刚性圆柱体在顺流向和横向的脉动水动力，重新定义了传统尾流振子控制变量的含义，采用范德波尔方程描述近壁点涡的非线性特征，进而建立了一种能够预报双自由度涡激振动响应的涡强尾流振子模型，并给出了模型中经验参数的确定方法。利用本文模型预报了刚性圆柱体的双向涡激振动响应，得到的横向锁定、顺流向初始响应峰值、运动相位角以及“8”字形运动轨迹等的变化规律与实验结果吻合，同时讨论了质量

7、比和阻尼比对结构顺流向和横向振幅响应的影响。(3)针对水平放置的外径5cm，长120cm的刚性圆柱体开展了顺流向和横向在不同频率比条件下的双自由度涡激振动模型试验。试验中发现频率比可能对结构的涡激振动特性产生显著影响。当频率比在1.0附近时，圆柱的涡激振动特性与等频率比双自由度圆柱的结果没有明显不同，但随着频率比的增加顺流向和横向振幅以及两者之间的相位差发生了显著改变。利用涡强尾流振子模型预报了不同频率比的圆柱体涡激振动响应，分析了频率比和质量比对响应振幅和运动轨迹的影响。(4)使用切片法建立了可以预报细长弹性体双向涡激振动的三维时域半经验

8、模型。将该模型应用到研究在阶梯状来流作用下的顶部张紧式立管的涡激振动响应，结果显示顺流向振幅峰值小于横向振幅峰值，但是顺流向激活模态的阶数大约为横向振动的2倍。两个方向上的振动中