- 1 - 涡激振动、驰振条件
涡激振动是一种流体力学现象，它发生在流体通过一个物体时，产生的涡流与物体的共振频率相匹配而引起的振动。涡激振动在许多工程领域中具有重要的应用，例如飞机和桥梁设计中的气动稳定性和结构动力学。
驰振是指在某种振动系统中，物体在一定的外部激励下，振幅不断增大的现象。驰振的产生需要满足驰振条件，即外部激励频率与振动系统的固有频率相近时，振幅会不断增大，直到系统损坏或失稳。
在涡激振动中，驰振条件是指涡流产生的频率与物体的固有频率相近时，涡激振动会出现驰振现象。由于涡流的频率通常比固有频率高得多，因此涡激振动的驰振条件比较严格，需要对流场和结构进行精确的分析和设计。
为了避免涡激振动带来的危害，工程师们通常会采取措施来减小涡流的强度或改变物体的固有频率，以达到避免驰振的目的。这包括改变物体的几何形状、添加减振器或采用其他流体控制技术等。
科技信息ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期0引言结构的涡激振动（VIV）在许多工程领域具有实际意义[1]。例如，涡激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。关于涡激振动的众多问题中的这几个事例是非常重要的。1研究涡激振动的目的研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。研究流体涡激振动的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过基础的直接数值模拟（DNS谱方法），通过获得尽可能多的Navier-Stokes（N-S）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用雷诺时均Navier–Stokes方程（RANS）,大涡模拟（LES）（用改进的亚格子尺度模型），和他们的各种结合来研究。数值模拟方法是受到全新的测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV，压敏涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。这些技术与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟实验的指导作用[2]。2涡激振动的实验研究从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动得到结果。第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。这个基座使用可调弹簧与阻尼器做成的。事实上，第二种选择是试图直接研究涡街脱落现象的方法。从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而，需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向：是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.MorseaandWilliamson,2006;Morsea,etal.,2008）。流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率fvs将与固定圆柱的振动频率fst相同，即，fst是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率fex。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，fst≈fex）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率fn，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（KrenkandNielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St=0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页）涡激振动研究方法的探讨房建党（上海海事大学物流工程学院，中国上海201306）【摘要】涡激振动（VIV）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟【Abstract】ThesubjectofVIVsispartofanumberofdisciplines,incorporatingfluidmechanics,structuralmechanics,vibrations,computationalfluiddynamics(CFD),acoustics,wavelettransforms,complexdemodulationanalysis,statistics,andsmartmaterials.Vortex-inducedvibration(VIV)ofstructuresisofpracticalinteresttomanyfieldsofengineering.Therearethreemethodsonvortex-inducedvibration：Experimental,Numericalsimulations,semi-empiricalformula,andnowwemainlyintroduceExperimentalstudiesandNumericalsimulationsonvortex-inducedvibration.【Keywords】Vortex-inducedvibration；Objective；Experimental；Numericalsimulations
海洋立管的涡激振动模型预测方法
海洋立管的涡激振动是指在海水流动下，立管表面附近形成的涡流引起立管产生振动的过程。这种振动会对海洋工程设施的稳定性和寿命产生重要的影响。为了预测和评估海洋立管的涡激振动，可以使用多种数值模拟方法，其中包括CFD方法、子结构方法和模型试验方法等。
1.CFD方法：计算流体力学（CFD）方法是一种基于数值求解流体力学方程的计算方法。对于涡激振动问题，可以使用CFD方法模拟流体流动并预测立管的振动响应。CFD方法的优点在于可以考虑复杂的流动场和立管的几何形状，可以提供详细的流场信息和振动特性。然而，CFD方法需要大量的计算资源和较长的计算时间，并且对参数的设定和模型的准确性有一定要求。
2.子结构方法：子结构方法是将立管分解为多个小的部分，然后对每个部分进行振动分析的方法。该方法可以减小计算的复杂性，并将问题简化为多个子问题的求解。子结构方法可以在不同的涡流条件下对立管的振动特性进行预测，并可以考虑不同部位的结构响应差异。然而，子结构方法忽略了整体流场和结构之间的相互作用，可能会导致结果的不准确。
3.模型试验方法：模型试验是通过建立立管的物理模型，进行涡激振动实验，并测量振动响应和流场信息。模型试验方法可以提供直观的实验结果，并可以考虑实际中不可预测的因素。模型试验方法的缺点是成本高昂，需要大量的实验设备和时间。此外，模型试验结果的适用性可能受到尺寸效应和相关性的限制。
综上所述，预测海洋立管的涡激振动模型可以使用CFD方法、子结构方法和模型试验方法等。这些方法各有优劣，研究人员可以根据具体的需求和限制选择合适的方法或将它们结合起来使用，以便更好地预测和评估海洋立管的振动特性。
涡激共振现象
嘿，今天咱们聊聊涡激共振现象。这东西听起来高大上，其实就是水流和物体表面摩擦产生的那些“嗡嗡”声。记得有一次，我在河边散步，看到一个大石头，突然一阵阵“嗡嗡嗡”的声音从石头下面传出来，像是在抗议，又像是在唱歌。
我好奇地问边上的一位老渔民：“老哥，这石头咋会唱歌呢？”老渔民一笑：“哎呀，这叫涡激共振，简单说就是水流和石头表面的摩擦，产生了频率一致的振动，就像人唱歌一样，发出了声音。”
哦，原来如此。我继续追问：“那这现象有啥用呢？”老渔民琢磨了一下，笑着说：“用处可大了。咱们渔民就用这个原理来探测鱼群。当鱼群游动时，会产生涡流，和石头摩擦产生共振，我们就能听到‘嗡嗡’声，据此判断鱼群的位置。”
我瞪大了眼睛，惊讶地问：“真的吗？那得有多灵敏的耳朵啊！”老渔民摇摇头：“耳朵灵敏不重要，重要的是对水性的了解。我们渔民在这片水域摸爬滚打了大半辈子，对水里的动静早已经了如指掌。”
说着，老渔民拿起渔网，笑着对我说：“来，我带你体验一下。”我跟着他来到河边，他让我靠近那块会“唱歌”的石头，耳边果然传来了“嗡嗡”声。突然，声音变得急促，老渔民迅速将渔网撒向水中，很快，他手里就提着一条大鱼。
我感叹道：“这涡激共振现象可真神奇啊！”老渔民笑着摇摇头：“别看它神奇，但也不能小看了大自然的力量。我们得尊重自然，才能从自然中获益。”
