Вихревая вибрация

В гидродинамике взаимодействующими вихревые колебания ( VIV ) — это движения, вызываемые телами, с внешним потоком жидкости или вызывающие движение , создаваемые периодическими неровностями этого потока .

Классическим примером является VIV подводного цилиндра. Как это происходит, можно увидеть, опустив в воду (бассейн или даже ведро) цилиндр и перемещая его по воде в направлении, перпендикулярном его оси. Поскольку реальные жидкости всегда обладают некоторой вязкостью , поток вокруг цилиндра будет замедляться при контакте с его поверхностью, образуя так называемый пограничный слой . Однако в какой-то момент этот слой может отделиться от тела из-за его чрезмерной кривизны. , При этом образуется вихрь изменяющий распределение давления вдоль поверхности. Когда вихрь формируется несимметрично вокруг тела (относительно его средней плоскости), разные подъемные силы на каждой стороне тела развиваются , что приводит к движению поперек потока. Это движение меняет характер вихревого образования таким образом, что приводит к ограничению амплитуды движения (иному, чем то, чего можно было бы ожидать в типичном случае резонанса ). Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока скорость потока существенно не изменится.

VIV проявляется во многих областях техники, от кабелей до теплообменников трубчатых . Это также важный фактор при проектировании океанских сооружений. Таким образом, изучение VIV является частью многих дисциплин, включающих механику жидкости , строительную механику , вибрации , вычислительную гидродинамику (CFD), акустику , статистику и интеллектуальные материалы .

Мотивация

Они встречаются во многих инженерных ситуациях, таких как мосты, трубы, линии электропередачи, поверхности управления самолетами, морские конструкции, термокарманы, двигатели, теплообменники, морские кабели, буксируемые кабели, буровые и эксплуатационные стояки при добыче нефти, швартовые тросы, заякоренные конструкции, привязные конструкции, корпуса плавучести и лонжерона, трубопроводы, кабельная прокладка, элементы конструкций с оболочками и другие гидродинамические и гидроакустические применения. ^{[ 2 ]} Последний интерес к длинным цилиндрическим элементам ^{[ 3 ]} в воде возникает в результате разработки ресурсов углеводородов на глубинах 1000 м и более. См. также ^{[ 4 ]} и. ^{[ 5 ]}

Вихревая вибрация (VIV) является важным источником усталостных повреждений морских нефти райзеров для разведочного бурения, экспорта и добычи , включая стальные цепные райзеры (SCR) и платформ натяжных опор сухожилия или тросы (TLP). Эти тонкие структуры испытывают как поток тока, так и движения верхнего конца сосуда, которые вызывают относительные движения структуры потока и вызывают VIV.

Одна из классических задач открытого потока в механике жидкости касается обтекания круглого цилиндра или, в более общем смысле, обтекаемого тела . При очень низких числах Рейнольдса (в зависимости от диаметра круглого элемента) линии тока результирующего потока совершенно симметричны, как и ожидалось из теории потенциала. Однако по мере увеличения числа Рейнольдса поток становится асимметричным и возникает так называемая вихревая улица Кармана . Движение цилиндра, создаваемое таким образом за счет образования вихря, можно использовать для выработки электроэнергии. ^{[ 6 ]}

Число Струхаля связывает частоту выпадения со скоростью потока и характерным размером тела (диаметром в случае цилиндра). Это определяется как ${\textrm {St}}=f_{st}D/U$ и назван в честь Ченека (Винсента) Струхаля (чешского ученого). ^{[ 7 ]} В уравнении _fst — частота вихреобразования (или частота Струхаля) покоящегося тела, D — диаметр круглого цилиндра, U — скорость окружающего потока.

Диапазон блокировки

Число Струхаля для цилиндра составляет 0,2 в широком диапазоне скоростей потока. Явление блокировки происходит, когда частота вихреобразования становится близкой к естественной основной частоте вибрации конструкции. В этом случае могут возникнуть сильные и разрушительные вибрации.

Текущее состояние дел

За последнее десятилетие был достигнут большой прогресс, как численный, так и экспериментальный, в понимании кинематики ( динамики ) VIV, хотя и в режиме низких чисел Рейнольдса. Основная причина этого в том, что VIV — это не небольшое возмущение, наложенное на среднее устойчивое движение. Это по своей сути нелинейный, самоуправляемый или саморегулируемый феномен с множеством степеней свободы. Он представляет собой нестационарные характеристики течения, проявляющиеся в существовании двух нестационарных сдвиговых слоев и крупномасштабных структур.

Многое известно и понято, и многое остается в эмпирической/описательной сфере знаний: какова доминирующая частота отклика , диапазон нормированной скорости , изменение фазового угла (по которому сила опережает смещение ), отклика а амплитуда в диапазоне синхронизации в зависимости от управляющих и влияющих параметров? Промышленные применения подчеркивают нашу неспособность предсказать динамическую реакцию взаимодействия жидкости со структурой. Они по-прежнему требуют ввода синфазных и противофазных составляющих коэффициентов подъемной силы (или поперечной силы), коэффициентов линейного сопротивления, корреляционных длин, коэффициентов демпфирования, относительной шероховатости, сдвига, волн и течений. , среди других управляющих и влияющих параметров, и, таким образом, также требуют ввода относительно больших коэффициентов безопасности. Фундаментальные исследования, а также крупномасштабные эксперименты (при распространении этих результатов в открытой литературе) дадут необходимое понимание количественной оценки взаимосвязей между откликом конструкции и управляющими и влияющими параметрами.

Невозможно переоценить тот факт, что современное состояние лабораторной техники касается взаимодействия твердого тела (главным образом и наиболее важно для круглого цилиндра), степени свободы которого уменьшены с шести до часто одной (т. е. поперечного движения) с трехмерное отрывное течение, в котором преобладают крупномасштабные вихревые структуры.

См. также

Ссылки

^ См.: Плачек, А.; Сигрист, Ж.-Ф.; Хамдуни, А. (2009). «Численное моделирование колеблющегося цилиндра в поперечном потоке при низком числе Рейнольдса: вынужденные и свободные колебания» (PDF) . Компьютеры и жидкости . 38 (1): 80–100. doi : 10.1016/j.compfluid.2008.01.007 . S2CID 121271671 .
^ Кинг, Роджер (BHRA Fluid Engineering), Структурные колебания круглого цилиндра с вихревым возбуждением в устойчивых течениях, OTC 1948, стр. 143–154, Конференция по океанским технологиям, 6–8 мая 1974 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS
^ Вандивер, Дж. Ким, Коэффициенты сопротивления длинных гибких цилиндров, OTC 4490, Конференция по океанским технологиям, 2–5 мая 1983 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS
^ Верли, RLP (BHRA), Every, MJ (BHRA), Волновая вибрация гибких цилиндров, OTC 2899, Конференция по океанским технологиям, 2–5 мая 1977 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS
^ Джонс, Г., Лэмб, В.С., Вихревая вибрация морских стояков в сдвиговых и критических потоках, Достижения в области подводных технологий, наук об океане и морской инженерии, Том. 29, стр. 209–238, Springer Science + Business Media, Дордрехт, 1993.
^ Соти А.К., Томпсон М., Шеридан Дж., Бхардвадж Р., Использование электрической энергии от вихревой вибрации круглого цилиндра, Журнал жидкостей и конструкций, Vol. 70, страницы 360–373, 2017, DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2017.02.009
^ Струхаль, В. (1878) «О необычном виде звукового возбуждения», Анналы физики и химии , 3-я серия, 5 (10): 216–251.

Дальнейшее чтение

Беарман, PW (1984). «Извержение вихрей из колеблющихся обтекаемых тел». Ежегодный обзор механики жидкости . 16 : 195–222. Бибкод : 1984АнРФМ..16..195Б . дои : 10.1146/annurev.fl.16.010184.001211 .
Уильямсон, ЧК; Говардхан, Р. (2004). «Вихревые колебания». Ежегодный обзор механики жидкости . 36 : 413–455. Бибкод : 2004AnRFM..36..413W . doi : 10.1146/annurev.fluid.36.050802.122128 . S2CID 58937745 .
Сарпкая, Т. (1979). «Вихревые колебания: выборочный обзор». Журнал прикладной механики . 46 (2): 241–258. Бибкод : 1979JAM....46..241S . дои : 10.1115/1.3424537 .
Сарпкая, Т. (2004). «Критический обзор внутренней природы вихревых вибраций». Журнал жидкостей и структур . 19 (4): 389–447. Бибкод : 2004JFS....19..389S . doi : 10.1016/j.jfluidstructs.2004.02.005 . hdl : 10945/15340 .
Сарпкая, Т.; Исааксон, М. (1981). Механика волновых сил на морских сооружениях . Ван Ностранд Рейнхольд . ISBN 978-0-442-25402-5 .
Шумер, Б. Мутлу; Фредсё, Йорген (2006). Гидродинамика вокруг цилиндрических конструкций . Расширенная серия по океанской инженерии. Том. 26 (переработанная ред.). Всемирная научная. ISBN 978-981-270-039-1 .
Наудашер, Эдвард; Роквелл, Дональд (2005) [1994]. Вибрации, вызванные потоком: Техническое руководство . Международная ассоциация гидравлических исследований (IAHR). Том. 7 (Исправленное переиздание первого изд.). Минеола, Нью-Йорк, США (AA Balkema Publishers, Роттердам, Нидерланды): Dover Publications . ISBN 978-0-486-44282-2 . (Примечание. Переиздание содержит дополнительный список ошибок в приложении.)
Хонг, К.-С.; Шах, UH (2018). «Вихревые вибрации и управление морскими стояками: обзор». Океанская инженерия . 152 : 300–315. дои : 10.1016/j.oceaneng.2018.01.086 .

Внешние ссылки

[1] См.: Плачек, А.; Сигрист, Ж.-Ф.; Хамдуни, А. (2009). «Численное моделирование колеблющегося цилиндра в поперечном потоке при низком числе Рейнольдса: вынужденные и свободные колебания» (PDF) . Компьютеры и жидкости . 38 (1): 80–100. doi : 10.1016/j.compfluid.2008.01.007 . S2CID 121271671 .

[2] Кинг, Роджер (BHRA Fluid Engineering), Структурные колебания круглого цилиндра с вихревым возбуждением в устойчивых течениях, OTC 1948, стр. 143–154, Конференция по океанским технологиям, 6–8 мая 1974 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS

[3] Вандивер, Дж. Ким, Коэффициенты сопротивления длинных гибких цилиндров, OTC 4490, Конференция по океанским технологиям, 2–5 мая 1983 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS

[4] Верли, RLP (BHRA), Every, MJ (BHRA), Волновая вибрация гибких цилиндров, OTC 2899, Конференция по океанским технологиям, 2–5 мая 1977 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS

[5] Джонс, Г., Лэмб, В.С., Вихревая вибрация морских стояков в сдвиговых и критических потоках, Достижения в области подводных технологий, наук об океане и морской инженерии, Том. 29, стр. 209–238, Springer Science + Business Media, Дордрехт, 1993.

[6] Соти А.К., Томпсон М., Шеридан Дж., Бхардвадж Р., Использование электрической энергии от вихревой вибрации круглого цилиндра, Журнал жидкостей и конструкций, Vol. 70, страницы 360–373, 2017, DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2017.02.009

[7] Струхаль, В. (1878) «О необычном виде звукового возбуждения», Анналы физики и химии , 3-я серия, 5 (10): 216–251.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]