摘要:围绕管道流固耦合振动建模理论与方法、流致振动与控制、涡激振动抑制等研究主题,本专刊介绍了流固耦合动力学与控制领域的一些研究成果.

摘要:管道广泛应用于海洋、核电以及航空航天等重大工程中,是采油平台、蒸汽发生器等重要工程装备的关键结构之一.当有外部流体经过时,管道会发生流固耦合振动行为,是导致重大装备振动破坏和失效的重要原因之一,已成为重大工程设计必须解决的关键问题.本文针对外流作用下柔性管道流固耦合非线性动力学机理这一科学问题,梳理了国内外学者的重要研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为.从实验研究、仿真分析和理论建模等方面进行了深入地探讨,揭示了外部流体对管道动力学行为的影响机制.最后,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究仍存在的难点与挑战.

摘要:管道系统在航空航天, 石油输送, 深海探测, 核能工程等工程领域发挥着输送流体的作用.由于复杂结构功能设计、支承条件、内部流体和外部环境等因素引起输流管道中的流体和管道发生强烈地耦合,导致的动力学问题严重限制了输流管道在各种领域中的工程应用.因此,输流管道的复杂动力学行为引起了工程和科学领域学者们的广泛关注, 本文综述和讨论了最新的输流管道振动与控制的研究和进展.

摘要:针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,本文采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型.基于流体体积法对气液两相流动界面进行追踪并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法考虑流体域网格变形,同时采用有限元方法建立了柔性管道动力学模型,根据流体和管道壁面的相互作用构建强流固耦合计算模型.研究表明,在两相流作用下柔性管道的振动主要以类似一阶和二阶振动模态响应为主且会发生模态切换；模态切换与管内的液塞长度、液塞流动频率以及气液塞在管内的轴向分布有关；管道的大变形振动促进了短气塞的融合并显著改变了液塞的长度和频率,进而影响管道的振动和流型转变界限.

摘要:基于Euler-Bernoulli梁模型,本文研究了热环境中输流管道在超临界范围内流固耦合自由振动特性.考虑温度增量以及初始轴向拉力作用,在两端简支边界条件下,利用广义Hamilton原理建立输流管道横向振动偏微分-积分控制方程.通过解析方法得到输流管道非平凡静平衡位形及临界流速精确表达式,与微分求积单元法(DQEM)数值结果吻合较好.基于复模态法、结合伽辽金(Galerkin)法离散系统偏微分-积分控制方程,得到热环境下超临界输流管道的模态函数和固有频率.结果表明,温度增量越大,临界流速越小,此时的管道越容易屈曲,但相同流速下超临界管道固有频率越大；初始拉力越大,临界流速越大,相同流速下超临界固有频率越小.该研究可以为热环境中超临界状态下的管道系统振动设计提供理论指导.

摘要:本文将浮式防波堤结构简化为两自由度的刚体运动,基于粘性不可压缩流体理论,用体积分数方法捕捉自由液面,采用重叠网格技术和有限体积法,使用计算流体力学软件Star-CCM+建立了二维数值水槽,对新提出的一种含翼板的箱型浮式防波堤和不含翼板的传统箱型浮式防波堤进行了数值模拟,对比分析了两种浮式防波堤的消浪性能、运动响应和流场特性,结果表明：翼型挡板能有效降低浮式防波堤的运动响应；含翼板和不含翼板浮式防波堤运动响应的不对称性是由于水下两对不同强度和不同演化形式的旋涡造成的；附加翼型挡板在水下能形成强度更大的旋涡,从而吸收更多的波浪能,能够明显提升箱型浮式防波堤的消浪效果；附加翼型挡板在高性能的浮式防波堤设计中具有巨大潜力.

摘要:针对刚体在流体中涡激旋转的数值结果表明,方柱在低雷诺数涡激旋转中有六种模态.本文针对其中的小幅振荡模态,通过综合无黏绕流情况下的自由流线理论与有黏平板的边界层理论,提出了一种理论模型；通过与浸没边界法所得数值结果的对比,验证了该理论模型的有效性；并分析了小幅振荡模态的主要驱动力,解释了出现周期性振荡的原因.

摘要:随着深海战略的推进,海洋油气开采向深海挺进,越来越多的海洋立管投入使用.因油气输量的变化及海底地形起伏的影响,立管中经常出现气液两相段塞流,由于段塞流动的周期性变化,使立管受到不稳定的流体力作用从而激发振动,造成立管的疲劳损伤.本文在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,研究了气液混合流速和气液比两个流动参数对柔性立管振动响应的影响,分析了振幅与振频的时空分布、管内液塞长度、压力波动的变化规律及它们间的内在联系.发现固定气液比时,随着混合流速的增大,柔性立管的振幅逐渐增大,但振动模态始终由一阶主导.液塞长度随混合流速的增大变化不明显,但压力波动随混合流速的增大愈发剧烈.固定气液混合流速时,随着气液比的增大,立管振幅逐渐增大,气塞和液塞长度也逐渐增大,进出口压差波动加剧,但压差平均值逐渐减小.

摘要:随着桥梁跨度的增加,其风致振动问题逐渐凸显,发展简单有效的风振控制措施对于保障桥梁结构的安全具有重要意义.将桥梁断面简化为矩形,通过数值模拟研究了侧表面双气孔吸气对矩形截面的涡激振动的抑制作用.研究表明：无量纲吸气流量是影响涡激振动抑制效果的决定性因素.当无量纲吸气流量Qs=0.01时,表面吸气对涡激振动的抑制效果达到最佳,矩形断面的振动幅值减小了99.73%,升力系数均方根值减小了90.37%,阻力系数平均值减小了32.55%.当Qs＞0.01时,矩形截面的振动幅值仍然被有效地抑制,但由于吸气流量过大,侧表面上的边界层厚度变小,边界层内的剪切效应变强,引起背风面尾流旋涡的增强,最终导致矩形截面升、阻力系数的增加.

摘要:小型模块化压水核反应堆的结构形式与常规的压水核反应堆不同.除了吊篮组件以外,还有小型模块化压水核反应堆独有的压紧组件、压紧筒组件和分流环板等结构.为了对小型模块化压水核反应堆堆内构件流致振动行为进行准确的评估,首先应该确定堆内构件在空气和静水中的模态特征.本文以国内自主研发的小型模块化压水核反应堆堆内构件为研究对象,采用ANSYS软件对小型模块化压水核反应堆堆内构件在空气和静水中进行了干模态和湿模态分析,获得了吊篮组件、压紧组件、压紧筒组件以及分流环板在空气和静水中的固有频率及相应的振型,并开展模态试验验证了该分析方法的正确性.该方法可运用到常规压水核反应堆堆内构件的模态分析中.

摘要:为研究电动轮车辆系统在路面电磁联合激励下的非线性振动特性,并挖掘参数与初始条件协同作用下系统全局动力学信息,建立了计及悬架系统和轮胎的非线性弹簧力和阻尼力的电动轮车辆系统两自由度1/4垂向振动非光滑非线性时变动力学模型,考虑外部激励的谐波性和随机性以及电磁激励的分段周期性,得到了含谐波性、随机性和周期性的复杂外激励模型,分析了驱动电机转速与多初值的关联性对系统动力学共存行为及其分岔的影响规律,研究了共存运动的多样性及其吸引域的拓扑构型,揭示了转速对系统全局动力学稳定性的影响机理.结果表明：电机转速与多初值协同作用诱发系统出现多样性的共存运动,共存运动吸引域的拓扑结构复杂多样,部分共存运动的振动幅值可能较大亦可能很小,其全局动力学稳定性差异较大.电机转速与初值的协同作用对电动轮车辆系统非线性振动和全局动态特性的影响不予忽视.本文研究对电动轮车辆系统的动态性能改善和结构优化具有重要的理论意义和工程价值.