Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Численное моделирование вихревых колебаний при обтекании кругового цилиндра. [1]

В динамике жидкости , вихревые индуцированные колебания (VIV) являются движениями индуцируемых на телах , взаимодействующих с внешним потоком текучей среды , производимым - или движениями по производству - периодические неровностей на этом потоке.

Классический пример - VIV подводного баллона. Вы можете увидеть, как это происходит, поместив цилиндр в воду (бассейн или даже ведро) и перемещая его по воде в направлении, перпендикулярном его оси. Поскольку настоящие жидкости всегда имеют некоторую вязкость , поток вокруг цилиндра будет замедляться при контакте с его поверхностью, образуя так называемый пограничный слой . Однако в какой-то момент этот пограничный слой может отделиться от тела из-за его чрезмерной кривизны. Затем образуются вихри , изменяющие распределение давления по поверхности. Когда вихри не образуются симметрично вокруг тела (относительно его средней плоскости), разные подъемные силыразвиваются с каждой стороны тела, что приводит к движению поперек потока. Это движение изменяет характер образования вихря таким образом, что приводит к ограниченной амплитуде движения (иначе, чем то, что можно было бы ожидать в типичном случае резонанса ).

VIV проявляет себя во многих различных областях техники, от кабелей до трубных решеток теплообменников . Это также важный фактор при проектировании океанических сооружений. Таким образом, изучение VIV является частью ряда дисциплин, включая механику жидкости , строительную механику , вибрации , вычислительную гидродинамику (CFD), акустику , статистику и интеллектуальные материалы .

Мотивация [ править ]

Они возникают во многих инженерных ситуациях, таких как мосты, трубы, линии электропередачи, поверхности управления самолетами, морские конструкции, защитные гильзы, двигатели, теплообменники, морские кабели, буксируемые кабели, буровые и эксплуатационные стояки при добыче нефти, швартовные кабели, заякоренные конструкции, привязные конструкции, плавучесть и корпуса с лонжероном, трубопроводы, кабельные прокладки, элементы конструкций с оболочкой и другие гидродинамические и гидроакустические приложения. [2] Самый последний интерес к длинным цилиндрическим элементам [3] в воде связан с разработкой углеводородных ресурсов на глубинах 1000 м и более. См. Также [4] и. [5]

Вибрация, вызванная вихрями (VIV), является важным источником усталостных повреждений при разведочном бурении на морских месторождениях , экспортных и эксплуатационных стояках, в том числе стальных стояках цепной цепи (SCR) и тросах или тросах платформы натяжных опор (TLP). Эти тонкие структуры испытывают как текущий поток, так и движения верхнего конца сосуда, которые вызывают относительные движения структуры потока и вызывают VIV.

Одна из классических задач механики жидкости с открытым потоком касается обтекания кругового цилиндра или, в более общем смысле, тела обтекания . 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 дорожка Кармана . Движение цилиндра, создаваемое таким образом из-за образования вихрей, можно использовать для выработки электроэнергии. [6]

Число Струхаля связывает частоту утечки со скоростью потока и характерным размером тела (диаметром в случае цилиндра). Он определяется как и назван в честь Ченека (Винсента) Струхаля (чешского ученого). [7] В уравнении f st - частота образования вихрей (или частота Струхаля) покоящегося тела, D - диаметр кругового цилиндра, а U - скорость окружающего потока.

Диапазон блокировки [ править ]

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

Текущее состояние [ править ]

За последнее десятилетие был достигнут большой прогресс, как численно, так и экспериментально, 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 установившееся движение. Это по своей сути нелинейное, самоуправляемое или саморегулируемое явление с множеством степеней свободы. Он представляет собой нестационарные характеристики потока, проявляющиеся в наличии двух нестационарных сдвиговых слоев и крупномасштабных структур.

Многое известно и понимается, и многое остается в эмпирической / описательной сфере знаний: какова преобладающая частота отклика , диапазон нормированной скорости , изменение фазового угла (на который сила приводит смещение ), а амплитуда откликав диапазоне синхронизации в зависимости от управляющих и влияющих параметров? Промышленные приложения подчеркивают нашу неспособность предсказать динамический отклик при взаимодействии жидкости и конструкции. Они по-прежнему требуют ввода синфазных и противофазных компонентов коэффициентов подъемной силы (или поперечной силы), коэффициентов лобового сопротивления, корреляционных длин, коэффициентов демпфирования, относительной шероховатости, сдвига, волн и токов. , среди других управляющих и влияющих параметров и, следовательно, также требуют ввода относительно больших коэффициентов безопасности. Фундаментальные исследования, а также крупномасштабные эксперименты (когда эти результаты будут распространены в открытой литературе) обеспечат необходимое понимание для количественной оценки взаимосвязей между реакцией конструкции и управляющими и влияющими параметрами.

Нельзя достаточно сильно подчеркнуть, что текущее состояние лабораторных исследований касается взаимодействия твердого тела (в основном и, что наиболее важно, для кругового цилиндра), степени свободы которого были уменьшены с шести до часто одной (т. Е. Поперечное движение) с трехмерное отрывное течение, в котором преобладают крупномасштабные вихревые структуры.

См. Также [ править ]

  • Аэроупругий флаттер
  • Карман вихревая улица
  • Мощность вихря
  • Вихревой сброс

Ссылки [ править ]

  1. ^ См .: Placzek, A .; Sigrist, J.-F .; Хамдуни, А. (2009), «Численное моделирование колеблющегося цилиндра в поперечном потоке при низком числе Рейнольдса: вынужденные и свободные колебания» (PDF) , Computers & Fluids , 38 (1): 80–100, DOI : 10.1016 /j.compfluid.2008.01.007
  2. ^ Кинг, Роджер (BHRA Fluid Engineering), Возбужденные вихрем структурные колебания кругового цилиндра в установившихся течениях, OTC 1948, стр. 143-154, Конференция по океаническим 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 океаническим технологиям, 2–5 мая 1983 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS
  4. ^ Verley, RLP (BHRA), Every, MJ (BHRA), Волновая вибрация гибких цилиндров, OTC 2899, Конференция по океаническим технологиям, 2–5 мая 1977 г., Хьюстон, Техас, США. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS
  5. ^ Джонс, Г., Лэмб, У. С., Вибрация, вызванная вихрем морских стояков при сдвиговых и критических потоках, Достижения в подводных технологиях, океанологии и морской инженерии, Vol. 29, стр. 209-238, Springer Science + Business Media, Дордрехт 1993.
  6. ^ Соти А.К., Томпсон М., Шеридан Дж., Бхардвай Р., Использование электроэнергии от вызванной вихрем вибрации круглого цилиндра, Журнал жидкостей и структур, Vol. 70, страницы 360–373, 2017, DOI: 10.1016 / j.jfluidstructs.2017.02.009
  7. ^ Струхаля, В. (1878) "Ueber Besondere Art сделайте дер Tonerregung" (О необычном рода возбуждения звука), Annalen дер Physik унд Chemie , 3й серии, 5 (10): 216-251.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бирман, П. У. (1984), «Вихрь, выделяющийся из колеблющихся тел обрыва», Annual Review of Fluid Mechanics , 16 : 195–222, Bibcode : 1984AnRFM..16..195B , doi : 10.1146 / annurev.fl.16.010184.001211
  • Уильямсон, CHK; Говардхан, Р. (2004), «Вихревые колебания», Annual Review of Fluid Mechanics , 36 : 413–455, Bibcode : 2004AnRFM..36..413W , doi : 10.1146 / annurev.fluid.36.050802.122128
  • Сарпкая Т. (1979), "Колебания, вызванные вихрем: выборочный обзор", Журнал прикладной механики , 46 (2): 241–258, Bibcode : 1979JAM .... 46..241S , doi : 10.1115 / 1.3424537
  • Сарпкая, Т. (2004), «Критический обзор внутренней природы колебаний, вызванных вихрями», Journal of Fluids and Structures , 19 (4): 389–447, Bibcode : 2004JFS .... 19..389S , DOI : 10.1016 / j.jfluidstructs.2004.02.005 , ЛВП : 10945/15340
  • Сарпкая, Т .; Исааксон, М. (1981), Механика волновых сил на морских сооружениях , Van Nostrand Reinhold , ISBN 978-0-442-25402-5
  • Шумер, Б. Мутлу; Фредсе, Йорген (2006), Гидродинамика вокруг цилиндрических структур , Продвинутая серия по океанской инженерии, 26 (пересмотренное издание), World Scientific, ISBN 978-981-270-039-1
  • Наудашер, Эдвард; Роквелл, Дональд (2005) [1994], Вибрации, вызванные потоком - Техническое руководство , Международная ассоциация гидравлических исследований (IAHR), 7 (исправленное переиздание первого издания ), Dover Publications, Inc. , Минеола, Нью-Йорк, США (Издательство AA Balkema, Роттердам, Нидерланды), ISBN 978-0-486-44282-2 (NB. Reissue содержит дополнительный список ошибок в приложении.)
  • Hong, K.-S .; Шах, ВГ (2018), "Vortex-индуцированных колебаний и контроль морских стояков: обзор А", океан Инжиниринг , 152 : 300-315, DOI : 10.1016 / j.oceaneng.2018.01.086

Внешние ссылки [ править ]

  • Хранилище данных о вибрации, вызванной вихрями
  • Домашняя страница курса "Принципы проектирования морских транспортных средств" в Массачусетском технологическом институте
  • eFunda: Введение в вихревые расходомеры