细长海洋结构物涡激振动研究综述
潘志远 崔维成 张效慈
（1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 20030； 2 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）
摘 要：随着世界范围内深海石油开采的需要，近年来关于海洋结构物涡激振动的研究越来越受到重视。虽然此问题在数值模拟和实验方面都取得了一定的进展，但是还有很多问题亟待解决。钢悬链线立管在预测和抑制涡激振动方面面临着新的挑战。因此，细长海洋结构物的涡激振动在海洋工程领域始终会是最受关注的问题之一。本文在介绍有关涡激振动的基本概念和理论背景的基础上，总结了近年来关于以深水立管为代表的海洋结构物涡激振动的研究与进展，包括对现有涡激振动分析工具的分类和评估；对柱体及海洋结构物涡激振动的实验研究；对深水立管与涡激振动相关的疲劳评估准则的研究；海洋结构物的横向、流向及轴向涡激振动的耦合作用研究；关于海洋结构物涡激振动的抑振措施和设备的理论及实验研究；本文着重介绍了计算流体动力学（CFD）方法在海洋结构物涡激振动研究中的应用和进展。最后，对海洋结构物涡激振动相关的研究热点的现状进行了总结并对今后的工作提出了展望。
关键词：涡激振动；计算流体动力学；细长海洋结构物；响应预报
中图分类号：O353.1 p731.2 文献标志码：A
1 引 言
若有流动作用在圆柱形结构物上，从其两侧交替脱落的涡会使在圆柱体上产生波动的横向力和流向力。若该结构物用弹簧固定，则横向力和流向力会引起结构的位移，使得后续的流动情况再次发生变化，这就产生了一个完全的流体-结构物耦合的问题。柱体在流体作用下产生的这一运动被称为涡激振动（VIV）。涡激振动具有非线性、自治、多自由度的现象。关于柱体及海洋立柱的涡激振动问题在更特殊的情况下的内在特性、实验结果、数学模型和在实践上的重要性已经有了许多研究成果，如King (1977)、 Sarpkaya (1979)、 Griffin and Ramberg (1982)，以及近些年的Pantazopoulos (1994)、Allen (1998), Vandiver (1998)、 Halse (2000)、Sarpkaya (2004)、 Williamson 和Govardhan (2004)的成果，在Sarpkaya（1981）、 Blevins (1990), Sumer 和 FredsPhi;e (1997) , Zdravkovich (1997, 2003)的书中也有研究。
由振动造成的疲劳损伤是海洋结构物设计中需要考虑的一个重要方面。随机的海浪状态引起的平台移动以及水流引起的涡激振动是两个主要的疲劳源（Mekha, 2002）。涡激振动可能会对细长海洋结构物造成极大的应力和疲劳损伤。由于涡激振动的强度是不确定的，所以在设计疲劳极限时需要留下很大的安全系数（FLS）。如果能够预测在复杂多变的海洋环境里涡激振动对海洋立管的破环率，或将使其成本大大降低。离岸工业日渐走向深海，钢悬链线立管（SCR）的出现使得把油气从浮动生产设施运输上岸、运输到浅水平台或是水下输油管中心成为可能。钢悬链线立管的使用使石油的开采和运输在深度上更具灵活性和可能性。1994年，探索性的钢悬链线立管被安装在Auger Tension Leg平台上，用于油气输出（Phifer 等, 1994），安装位置水深为972m，钢悬链线立管用挠性接头连接在TPL浮筒上，其深度为21m。这一实践开创了油气生产运输的新时代，没有其他管道材料能够耐受这样的水深。现在，石油产业正设法改进和发明新技术以到达3000m甚至3000m以上的海洋更深处（Ward等, 1999）。
然而，以可信的精确度预测立管涡激振动仍面临很大的技术挑战。尽管经过了数十年的深入研究，迄今仍未出现可准确解释柱体涡激振动的有效模型。近期的这些研究仍在一定程度上阐明了这一难题。大量发表在期刊杂志和国际会议上的论文反映了这一贡献。为了未来研究工作的开展，有必要对这些理论性、经验性、数值性或是实验性的成果进行整理、评价和重组织。
过去十年里，CFD在海洋领域取得了重大进展。必须承认的是，与在船舶水动力学取得的成果相比（如船舶抗性的预测以及螺旋桨-船舶交互作用的仿真），就圆柱体结构而言，在离岸工程领域的CFD工作非常有限（ISSC 2000）。然而，随着CFD方法和计算机技术的发展，CFD辅助了越来越多的研究工作。未来，性能强大的计算机和CFD代码将普遍地应用于涡激振动的预报。为了弥合CFD的数值解决方案与离岸工程的实践工具之间的差距，还有很多的工作需要完成。几种具有启发性的CFD方法将在后文讨论。
本文首先给出了关于涡脱落的基本内容的简短介绍，接着详细回顾了现存涡激振动预测方法的分类和评估以及近期关于海洋结构物的涡激振动的实验研究，然后回顾了近期一些关于海洋立管的涡激振动的研究热点，包括海洋结构物疲劳评估的考虑事项，横向、顺流向和轴向涡激振动的交互作用，对涡激振动抑制装置的效果研究，最后给出了结论以及对未来工作的展望。
2 基础概念和理论
承受流动冲击的结构物，由于能量从流体到结构物的传递，可能会持续经历特定情况的振动。这些由不同的流体动力学机制引起的振动彼此之间互不相同。经常出现的三种流激振动分别是颤振、驰振和涡激振动。驰振的产生是由非圆形横截面结构物的移动造成流场方向改变的结果。驰振的概念主要应用于土木工程，在流场中的钝体（没有流线型尾部边缘的结构物）会出现单自由度失稳（骤降或扭转），导致颤振。颤振一般是两种或以上的振动模态导致的结果，通常为弯曲和扭转振动模态。颤振由体运动引起的近尾迹涡导致，这一概念主要应用于航空航天工程。颤振和驰振与涡激振动的主要区别是前两者代表了结构性失稳，而后者描述的是由周期性涡脱落引起的共振激励。本文仅讨论涡激振动。
以下这些无量纲量对弹性圆柱体结构物受亚音速稳流的问题具有物理意义：
(1)
振幅与圆柱体直径之比给出了振动的无量纲幅值。Ur是描述流速的无量纲约化速度：
(2)
其中fn为结构物的自然频率（或固有频率）。
在流体中，雷诺数Re和斯特劳哈尔数被定义为：
(3)
这两个无量纲数具有重要意义，其中U为流速，nu;是流体的运动粘度，fnu;是脱落频率。雷诺数可以用于计算边界层厚度和层流湍流转化界限。随着雷诺数从零开始向上增加，结构物的尾流会发生巨大变化。斯特劳哈尔数的值会由于选择不同形式的雷诺数的以及圆筒的形状而改变。在非关键部分，从工程角度可以将斯特劳哈尔数看作常数，其值为0.2。
和zeta;一般表示质量比和阻尼系数，其中m是单位长度柱体的质量，rho;是流体的密度。它们给出了结构部件的属性。形状比数()，又称长细比，描述实验模型的几何性质。
涡的脱落的简图如图1所示。外表面上压力的周期性变化使柱体在横向和顺流向都受到力的作用。研究证明轴向振动的数量级小于横向振动。因为轴向振动的速度较低，通常忽略轴向振动对立管的影响。轴向振动是横向振动的副产物，横向振动会引起轴向共振模态，从而导致轴向变形。
当fnu;和fn相接近时，会在Ur=1/St时发生自锁（lock-in）。在一定速度范围内，圆柱体在其自然频率附近发生振动时，涡的脱落频率将等于圆柱体的自然频率。实验证据显示，脱落涡在轴向的长度很大，这就引出了名词“涡室（vortex cell）”。相关长度是一个可以通过一系列推导过程得到的衍生量，沿圆柱体轴向的升力之间的相关长度是确定净力和振动幅值的关键因素。自锁现象导致涡脱落在整个圆柱范围内具有高相关度，这就导致了振幅的增加。但是无论如何振幅都必须被限制在一个直径范围内。
3 当前涡激振动研究现状
3.1 现存涡激振动分析模型
从工程角度来说，为流体与一个或多个弹性圆柱体的交互作用建立真实性好、预测能力强、计算高效的数学模型，是物理学家的夙愿和挑战。过去数十年的研究尽管还未能创建这样一个能够揭示涡激振动的物理本质并满足离岸工业需求的有效模型，但这些工作为未来的研究指明了方向。
弹性支撑圆柱体的运动方程是涡激振动预测的基础。
(4)
方程右侧项F(t)表示由涡脱落引起的力，F(t)与圆柱体的运动项y(t)组成反馈振动系统。以解析或数值方式求解振动方程的主要难点在于确定F(t)的典型形式。
目前对海洋立管的涡激振动有两种分析方法，一是基于实验性数据来为水动力学力计算提供力系数的半经验的（或参数性的）预测工具，二是利用计算流体动力学（CFD）技术来分析地解粘性纳维-斯托克斯方程以直接获得水动力学力。根据ISSCrsquo;2000（2000）对现存涡激振动分析工具的分类（如图2），可以看到这些方法彼此之间的区别。Larsen和Halse（1997）对细长海洋结构物的涡激振动模型进行了比较和综合讨论，当时还仅有一种模型基于CFD。然而，由于CFD技术和计算机性能的发展，如今更多的研究工作依赖于CFD代码。Le Cunff 等（2002）提出了包括从简单模型到CFD计算法的几种模型来预测海洋立管的响应和疲劳寿命。
图2 响应模型的分类
3.1.1 经验模型
Hartlen和Currie（1970）为弹性支撑圆柱体问题做出了开创性的工作，为流体力及其与单自由度的结构物运动的耦合作用建立了模型。其核心思路是用能够模拟涡脱落的涨落变化的性质的单一流动变量（升力系数，由弱非线性的Van der Pol或Payleigh 方程决定）来描述近尾迹动力学。某些近尾迹涡脱落和涡激振动的重要特性已经能被定性甚至定量地描述。这一尾迹振荡模型被改进和拓展到二维和三维领域。该模型能够解决细长海洋结构物涡激振动问题的最新版本可参考Balasubramanian和Skop(1996)，Facchinetti 等（2002），Kim 等（2002）。
目前在海洋领域使用的经验模型几乎都基于涡激振动的激发频率是离散的这一假设。这些模型基于来自圆柱体实验的数据，基于一些将这些数据应用于流场内细长结构物响应的预测的假设。对结构物的模态分析采用要么基于结构物刚度和质量的模式的叠加（Vandiver和Li，1999）（称作无阻尼模态），要么采用单阻尼的模式（一般指复杂模式）（Moe 等，2001，Triantafyllou 等，1999）。一些计算机程序已被完善并应用于案例研究和海洋工业。最为知名的代码有SHEAR7（Vandiver和Li，1999），VIVA（Triantafyllou 等，1999），和VIVANA（Larsen 等，2001）。尽管这些模型已经可以获得合理的结果，但当采用不同的空间修正条件和实验数据库时（一些模型基于受迫振动试验而另一些基于自由振动试验），这些模型的结果会存在差异。需要进一步的研究来解决这些不确定性。
实验观测显示，涡脱落的过程在时间和空间上均是随机的。随机思想可以追溯到SHEAR程序的早期版本（Vandiver 等，1993）。近期的，Ruuml;dinger（2002）为随机振动物体模型做出了初步工作，该模型将激励项表示为白噪音过程。但是，还没有出现一个十分完善的随机方法。
3.1.2 CFD在涡激振动分析中的应用进展
鉴于近些年来计算和存储能力的进步，更多关于涡激振动的研究采用了CFD技术。根据目前的公开文献资料显示，共有四种不同的计算方法用于描述涡激振动问题的流场和和流体力，分别为离散涡方法（DVM），雷诺平均的纳维斯托克斯（RANS），LES（大涡模拟）和直接数值模拟（DNS）。其中，离散涡方法无法处理湍流问题，而其余三种可以处理湍流。
离散涡方法专注于涡区域，能捕获从钝体上脱落的涡的特性。离散涡方法与vortex-in-cell技术组合起来可以成功地预测流体力、涡型以及脱落频率（Stansby和Slaouti，1993；Meneghni和Bearman，1993；Zhou等，1999），但仅对有限范围内的雷诺数才成立。
目前，RANS代码在海洋工程领域应用广泛。RANS能够求解平均能量产量以及与非定常湍流流动有关的离散问题。Korpus等（2000）做了很成功的工作，他们描述了RANS方法在深水立管动力学问题分析中的应用和可靠性。RANS方程需要结合k-ε湍流模型进行求解。湍流建模由SST k-omega;模型执行，这项工作由Guilmineau和Queutey（2004）完成，他们对受弹性支撑的低阻尼刚性圆柱体进行了动力学和流体力的研究。值得注意的是，Saghafian（2003）等将非线性涡粘性模型应用于圆柱绕流问题。这项研究显示，改良的湍流模型能在高雷诺数范围内得到更合理的结果。
RANS方法试图通过在时间和空间上取平均的方式来建立静态的湍流模型，与此相反的，直接数值模拟试图在整个空间和时间尺度上解决问题而无需引入额外假定。因此，其空间和时间网格需要划分得非常小，这就导致了一个问题，以现在的技术水平需要非常长的时间进行求解。尽管如此，如Evangelinos和Karniadaki（1999）,Evangelinos等（2000），Lucor等（2001），Lucor和Karniadakis（2003）在雷诺数为1times;103的情况下做出了有趣的工作。lt;
英语原文共 20 页
资料编号：[5899]
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