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：近十年来，随着世界各国对深海石油生产的兴趣日益浓厚，涡激振动(VIV)的研究工作日益深入。尽管在数值和实验上都取得了很大的进展，但还不能说对涡激振动问题有了全面的了解。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仍将是未来海洋工程中最广泛的研究课题之一。本文介绍了海洋立管涡激振动产生的背景和原因，接着概述了有关深水立管涡激振动的研究和进展，包括评估现有涡激振动分析工具、实验数据分析和校准，适当的疲劳计算标准，轴向和横向涡激振动引起的耦合效应，抑制设备选择和测试。改进的计算流体力学(CFD)方法的贡献越来越受到重视。最后讨论了未来发展方向的结论和建议。
关键词: 涡激振动(VIV);计算流体动力学(CFD);细长海洋结构;响应预测
1 引 言
如果水流作用在圆柱结构上，则两侧交替的涡流脱落会产生波动的横向和顺流向力作用在圆柱上。如果这个结构被弹簧支撑，这些力会让结构产生位移，同时，反过来，结构的运动会导致流场的变化，从而形成了一个完全耦合的流固耦合运动。圆柱在水流作用下的这种运动称为涡激振动(VIV)，是一种固有的非线性、自控制的、多自由度现象。与圆柱或海洋立管的涡激振动相关的固有的特性， 实验研究、数学模型和实际意义得到了(在更专业的情下)Sarpkaya(1979) ，Griffin
和Ramberg（1982）的最近Pantazopoulos（1994）Allen (1998)，Vandiver（1998），
Halse（2000），Sarpkaya（2004），Williamsonamp; Govarclhan(2004)，Sarpkaya（1981），
Blevins（1990），Sumeramp;Fredsoe（1997），Zdravkovich（1997，2003）等人的关注。
运动引起的疲劳损伤是海洋结构设计中的一个重要方面。疲劳的两个主要来源是海浪的随机状态引起的平台移动以及水流引起的涡激振动(Mekha， 2002)，涡激振动可能会对细长海洋结构引起极大的应力和疲劳损伤。因此，由于涡激振动的不确定性，设计标准时要用很大的安全系数(Soreide，2002)，通过预测在不稳定的海洋环境中由于涡激振动引起的海上立管疲劳率，可以大大节省成本。随着海洋工程走向更深的海域，钢铁悬链线立管（SCRs）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。钢铁悬链线立管被使用在更具有灵活性和潜在的可能在石油开采和运输上，1994年，首创的钢铁悬链线立管被安装在Auger Tension Leg平台上，用于油气输出（Phifer er al， 1994），在872米的水深下，钢铁悬链线立管用挠性接头连接在TPL浮筒上，其深度在水平面以下21米。它开启了油气生产和运输的新时代，其深度超过了其他管道材料所能承受的范围。如今，石油行业正在考虑改进和发明新技术的方法，以达到3000m甚至3000m以上的海洋更深处(Ward et al，1999).
然而，合理准确地预测立管涡激振动的技术难题一直阻碍着这种运动。经过几十年的深入研究，目前还没有一种有效的模型能够可准确解释柱体涡激振动。然而，最近的研究对这个难题有了一些进展。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。有必要为了未来的研究对这些理论性、经验性、数值性或是实验性的成果进行整理、评价和重新组织。
近十年来，计算流体力学在海洋领域取得了巨大进展。我们应该承认，相比于船舶水动力学（如船舶抗性的预测以及螺旋桨-船舶交互作用的仿真），在离岸工程领域，关于主圆柱体的计算流体力学工作是有限的（ISSC 2000）。然而，随着计算流体力学方法的改进和计算机技术的发展，更多的研究将在计算流体力学的帮助下进行。未来的某一天，能将强大的计算机和计算流体力学代码普遍地应用于涡激振动的预报。目前，为了弥合计算流体力学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。计算流体力学的一些启发式方法将在后面讨论。
本文简要介绍了旋涡脱落的基本概念。接着详细回顾了现存涡激振动预测工具的定义和发展以及近期关于海洋结构物的涡激振动的研究，然后回顾了近期一些关于海洋立管的涡激振动的研究的热点，包括海洋结构物疲劳评估的考虑事项，横向、流向和轴向涡激振动的交互作用，对涡激振动抑制设备作用的调查，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
由于能量从流体传递到结构物上，受流动冲击的影响结构物在一定条件下可能会经历持续的振动。由于流体动力机制的不同，这些振动是不同的。文献中经常见到三种流激振动分别是:颤振、驰振和涡激振动。非圆截面结构的运动引起流动方向的改变，从而引起驰振。它主要应用于土木工程，在流场中的钝体结构（没有流线型尾部边缘的结构物）会出现单自由度失稳（骤降或是扭转），导致驰振。颤振通常是两种或两种以上振型的结果，通常是弯曲和扭转振型。颤振由体运动引起的近尾迹涡导致，主要用于航空航天工程中。驰骋/颤振与涡激振动的主要区别在于前者表示结构的不稳定性，而后者描述的是由周期性涡脱落引起的共振激励。本文仅对涡激振动作一综述。
下列非量纲参数在描述弹性圆柱体结构物受亚音速稳流的问题，被发现具有物理意义:
(1)
圆筒的振幅与直径之比（）给出了振动的无量纲幅值。是给出无量纲测量流速的简化速度：
(2)
其中是固有频率(或本征频率)的结构。
对于流体，雷诺数Re和斯特劳哈尔数St定义为：
(3)
是两个非常重要的参数，U是流体速度，是液体的运动粘度，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。随着雷诺数从零增加，结构后的尾流发生了巨大的变化。斯特劳哈尔数的取值随雷诺数的不同形式和圆筒的形状而变化而改变。在次临界范围内，斯特劳哈尔数几乎不变，其值为0.2。
和通常称为质量比和阻尼因子，其中m为单位长度圆柱体的质量，是液体的密度。给出了结构部分的性质
高宽比，在实验中也称为长细比来描述模型的几何性质。
图l 圆柱在涡旋脱落作用下的振动
涡的脱落情况如图1所示。气缸表面压力的周期性变化会产生横向和流向两个方向的力。研究表明，轴向振动比横向振动小一个数量级。大多数研究人员认为，由于立管的轴向振动速度较低，所以通常不需要考虑轴向振动。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。
当和相互接近时，对应于会发生自锁。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。实验结果表明，脱落涡在流向“涡核”的轴向上具有明显的长度。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，进而导致振动幅值增大。但是在任何情况下，振幅都必须被限制在一个直径范围内。
3 当前涡激振动研究水平
3.1 现存涡激振动分析模型
从工程角度看，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、便于计算的数学模型都是令人满意的，对物理学家来说是期盼和挑战。虽然在过去的几十年的研究中还没有出现一个理想的分析模型来揭示揭示涡激振动的物理本质并满足海洋工程需求，但却为未来指明了方向。
弹性支撑圆柱体的运动方程是涡激振动预测的基础。
(4)
式右项拟合F(t)表示由涡脱落引起的力，并且与圆柱y(t)的运动形成一个反馈振动系统。其中最困难的地方在于表示出F(t)。
图2 响应分析模型分类
海洋立管涡激振动分析目前主要采用半经验(或参数性的)预测工具进行，这些工具依赖于实验数据来获得其水动力计算的力系数或者是利用计算流体动力学（CFD）技术来分析求解粘性纳维-斯托克斯方程以直接获得水动力学力。根据ISSCrsquo;2000（2000）这种区别可以从图2中对现有的涡激振动分析方法进行分类的尝试中看出。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，其中只有一种模型基于计算流体动力学。然而，由于计算流体动力学技术和计算机性能的发展，如今更多的研究工作依赖于计算流体动力学软件。Le Cunff 等（2002）提出了包括从简单模型到计算流体力学的几种模型来预测海洋立管的响应和疲劳寿命。
3.1.1经验模型
Hartlen与Hartlen(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。其主要思想是用单个流动变量(升力系数，由弱非线性的VanderPol或Payleigh方程决定)来描述近尾迹动力学，模拟涡旋脱落的波动性。定性甚至定量地描述了近尾迹涡脱落和涡动的一些主要特征。这种所谓的尾迹振荡器模型得到了改进，并扩展到二维和三维方面。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完全基于这样一种假设，即涡激振动将作为离散频率的响应出现。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（常被称为复杂模式）（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程。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。
涡脱落过程在时间和空间上都是随机的。随机的思想可以追溯到SHEAR早期版本的(Vandiver et al， 1993)。最近， Ruuml;dinger（2002）在一个随机振荡器模型上做了一个尝试性的工作，该模型将激励项表示为白噪声过程。然而，一种完全发展的随机方法尚未出现。
3.1.2 计算流体力学在涡激振动分析中的应用进展
鉴于最近在计算和存储能力方面的改进，更多关于涡激振动的研究采用了计算流体力学技术。目前，主要有四种不同的计算方法在公开文献显示用于描述涡激振动问题的流场和流体力。包括离散涡方法（DVM），雷诺平均方法（RANS），大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）。离散涡方法不能很好地解决湍流问题，而其他三种涡激问题的主要方法。
离散涡方法（DVM）聚焦于涡区，捕捉了钝体涡脱落的主要特征。离散涡方法与格子涡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），但对雷诺数有一定的限制。
目前，雷诺平均方法方程在海洋工程领域很受欢迎。它能够求解平均能量产量以及与非定常湍流流动有关的耗散问题。因此，它可以解决高雷诺数湍流问题。Korpus等（2000）做了很成功的工作，他们描述了雷诺平均方法在深水立管动力学问题分析中的应用和可靠性。雷诺平均方程需要结合湍流模型进行求解并且湍流建模由SST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等(2003)将非线性涡粘模型应用于圆柱流动问题。研究表明，改进后的湍流模型在高雷诺数区域得到了较为合理的结果。
雷诺平均方法试图通过在时间和空间上取平均的方式来对湍流进行统计建模，与此相反的，直接数值模拟（DNS）试图在所有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，用今天的技术来解决这个问题需要非常长的时间。尽管如此，如Evangelinos和Karniadaki（1999），Evangelinos等（2000），Lucor等（2001），Lucor和Karniadakis（2003）在雷诺数为的情况下做出了有趣的工作。
上述两种方法之间的折衷方法是大涡模拟（LES）。它试图直接解决大空间尺度(如直接数值模拟)，而小尺度上建模(如雷诺平均方法)。采用大涡模拟的关于圆柱稳流涡激振动的近期研究包括Lu等(1997)对雷诺数为时圆形扰流，给出了很好的流体力和斯特劳哈尔数预测
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资料编号：[2203]
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