基于实验的圆柱体流固耦合升力谱模型研究

    圆柱体的涡激振动(VIV)是流致振动的基本问题，在雷诺数的某个范围内，由于流动分离而在圆柱体尾流处形成稳定的涡旋泄放。在稳定的涡旋泄放区，涡 旋泄放的形式(涡泄模式)并不是单一的卡门涡街，对于不同的波长和圆柱体振幅，涡旋泄放的形式是不同的。因此，涡旋泄放形式对于固定的圆柱体和振动的圆柱 体是不同的。即流固耦合作用将改变涡旋泄放的形式，从而对横向升力和流体与结构之间的能量传递产生较大的影响[1]。

    随着海洋油气资源开发逐步向深水发展，深水立管的涡激振动问题越来越引起人们的关注[2―7]。研究认为[8―10]，现有的涡激力模型和涡激振动理论并 不能很好地解释圆截面柱体在稳定流场作用下的涡激振动现象，计算出的动态响应也与实际情况有较大的出入。关于圆柱体涡激振动的研究异常活跃。其中的大部分 研究工作集中在涡激振动的数学模型，如尾流振子模型、单自由度模型、力分解模型等，而关于升力模型的研究并不多见[8―9,11]。文献[10]通过实验 研究，提出了一个均匀流场中，作用在横向振动的刚性圆柱体上的时域力模型。文献[12]采用迭代方法，通过模态分析发展了一个作用在横向自由振动圆柱体上 的非线性流体力模型。

    本文前期的研究曾提出了一个具有窄带特性的非线性时域模型，并得到了实验的验证[13]。该模型是通过在时域的涡激升力模型中引入圆柱体的顺流向振动 参数得到的，因此，应用时要首先计算圆柱体的顺流向振动。由于涡旋脱落是流动分离的结果，因此，圆柱体的顺流向振动和横向振动都将对涡旋脱落产生调制作 用。即，圆柱体的顺流向振动和横向振动都将对涡激升力产生影响。而目前的涡激升力模型没有考虑横向振动参数，且没有考虑圆柱体的弹性(仅考虑截面尺寸，不 考虑长度和弹性模量)。因此，目前的涡激升力模型都是建立在刚性圆柱体假定的基础上的。这与深水立管的真实情况相差较大，深水立管是一个大的柔性结构，不 适用刚性假定。为此，本文提出以圆柱体固有频率作为涡激升力模型参数，建立涡激升力的频域谱模型。并通过光滑圆柱体的涡激振动实验，拟合出以流速、约化速 度、圆柱体直径和固有频率为参变量的Webull 分布谱模型。

    1 实验设置

    1.1 实验模型

    实验模型分别采用 PVC 管和有机玻璃管制作，PVC 模型的尺寸为 110mm×3.2mm×1500mm，主要用于水动力测量。为此，在模型的中间截面上安装了 4 个压力传感器，分别布置在水平直径的两端(上游、下游)和竖向直径的两端，用于测量顺流向和横流向的动水压力，如图 1 所示。