Кіріспе
Сұйықтық ағынындағы денелерге сұйықтықтағы құдалардың әсерінен туындаған қозғалыс. Сұйықтық динамикасында құдалардың шақыратын тербелістер (VIV) – сыртқы сұйықтық ағынымен өзара әрекеттесетін денелерге құдалардың тудыруымен немесе олардың қозғалысымен ағындағы мерзімдік өзгерістердің нәтижесінде әсер ететін қозғалыс. Классикалық мысал – су асты цилиндрінің VIV. Бұл қалай болатынын суға цилиндр (сауна бассейні немесе тіпті шелек) салып, оны өз осіне перпендикуляр бағытта жылжыту арқылы көруге болады. Шын сұйықтықтарда әрдайым белгілі бір тұтқырлық болатындықтан, цилиндрдің айналасындағы ағын оның бетімен жанасқанда баяулайды, соның нәтижесінде шекаралық қабат пайда болады. Бірақ, кейбір сәтте бұл қабат денеден тым қисық болғандықтан бөлініп кетеді. Содан кейін қысымның үлестірілуін өзгертетін құда пайда болады. Егер құда денедің айналасында симметриялы түрде қалыптаспаса (оның орталық жазықтығына қатысты), денедің әр жағында әртүрлі көтеру күштері пайда болады, осылайша ағынға көлденең қозғалыс туындайды. Бұл қозғалыс құданың қалыптасу сипатын өзгертеді, бұл шектеулі қозғалыс амплитудасына әкеледі (әдеттегі резонанс жағдайында күтілетіннен өзгеше). Бұл процесс ағын жылдамдығы айтарлықтай өзгергенше қайталанады. VIV инженерлік саланың көптеген салаларында кездеседі, мысалы, кабельдерден бастап жылу алмастырғыш құбырлар тізбектеріне дейін. Бұл теңіз құрылыстарын жобалауда маңызды мәселе болып табылады. Осылайша, VIV-ті зерттеу сұйықтық механикасы, құрылымдық механика, тербелістер, есептеу сұйықтық динамикасы (CFD), акустика, статистика және интеллектуалды материалдарды қамтитын көптеген ғылымдардың бір бөлігі болып табылады.
In fluid dynamics, vortex induced vibrations (VIV) are motions induced on bodies interacting with an external fluid flow, produced by, or the motion producing, periodic irregularities on this flow. A classic example is the VIV of an underwater cylinder. How this happens can be seen by putting a cylinder into the water (a swimming pool or even a bucket) and moving it through the water in a direction perpendicular to its axis. Since real fluids always present some viscosity, the flow around the cylinder will be slowed while in contact with its surface, forming a so called boundary layer. At some point, however, that layer can separate from the body because of its excessive curvature. A vortex is then formed, changing the pressure distribution along the surface. When the vortex does not form symmetrically around the body (with respect to its midplane), different lift forces develop on each side of the body, thus leading to motion transverse to the flow. This motion changes the nature of the vortex formation in such a way as to lead to a limited motion amplitude (differently, than, from what would be expected in a typical case of resonance). This process then repeats until the flow rate changes substantially. VIV manifests itself on many different branches of engineering, from cables to heat exchanger tube arrays. It is also a major consideration in the design of ocean structures. Thus, study of VIV is a part of many disciplines, incorporating fluid mechanics, structural mechanics, vibrations, computational fluid dynamics (CFD), acoustics, statistics, and smart materials.
Мотивация
Олар көптеген инженерлік жағдайларда кездеседі, мысалы, көпірлер, тік тұрған құрылымдар, тарату желілері, ұшақтардың басқару беттері, теңіз құрылыстары, термоқоймалар, қозғалтқыштар, жылу алмастырғыштар, теңіз кабельдері, сүйретілетін кабельдер, мұнай өндірісіндегі бұрғылау және өндіріс тік құбырлары, бекітілген кабельдер, бекітілген құрылымдар, жүзу және шпар корпустары, құбырлар, кабель төсеу, жақтаулы құрылымдардың элементтері және басқа да гидродинамикалық және гидроакустикалық қолданыстар. Судағы ұзын цилиндрлі элементтерге соңғы қызығушылық 1000 метр немесе одан да тереңдегі көмірсутек ресурстарын дамытудан туындайды. Сондай-ақ қараңыз. Вортекс тудырған тербеліс (VIV) – теңіздегі мұнайды іздеу кезіндегі бұрғылау, экспорттау және өндіріс тік құбырларының, соның ішінде болаттан жасалған тізбекті тік құбырлардың (SCR) және кернеулі аяқ платформаларының (TLP) тіректері мен бауларының тозуының маңызды себебі. Бұл жұқа құрылымдар ағынға және жоғарғы бөлігіндегі кемелердің қозғалысына ұшырайды, бұл екеуі де ағын мен құрылымның салыстырмалы қозғалысын тудырып, VIV-ке себеп болады. Сұйық механикасындағы классикалық ашық ағын мәселелерінің бірі – дөңгелек цилиндрдің немесе жалпы алғанда, бұрыштап денедің айналасындағы ағын. Өте төмен Рейнольдс сандары (цилиндрдің диаметріне негізделген) кезінде, нәтижесіндегі ағынның ағын сызықтары потенциал теориясынан күтілетіндей толық симметриялық болады. Алайда, Рейнольдс саны артқан сайын ағын асимметриялық болады және Карман вортекс көшесі пайда болады. Осы вортекс ағынынан туындаған цилиндрдің қозғалысын электр энергиясын өндіру үшін пайдалануға болады. Стругал саны төгілу жиілігін ағын жылдамдығына және дененің сипаттамалық өлшемдеріне (цилиндр үшін диаметр) байланыстырады. Ол чех ғалымы Ченек (Винсент) Стругалдың құрметіне аталған. Теңдеуде fst – дененің қозгалмайтын күйдегі вортекс төгілу жиілігі (немесе Стругал жиілігі), D – дөңгелек цилиндрдің диаметрі, ал U – ағынның жылдамдығы.
Қалпына келтіру аралығы
Цилиндр үшін Строугал саны ағыс жылдамдықтарының кең диапазонында 0,2-ге тең. Құрылымның тербелісінің табиғи негізгі жиілігіне маңайлас кезінде құйынды айырылу жиілігі жақын болғанда, құлыптану құбылысы орын алады. Мұндай жағдайда, үлкен және зиян келтіретін дірілдер пайда болуы мүмкін.
Қазіргі заманғы технология
Соңғы онжылдықта сандық және эксперименттік тұрғыдан, төмен Рейнольдс саны режимінде болғанымен, VIV кинематикасын (динамикасын) түсінуде үлкен прогресс жасалды. Мұның негізгі себебі – VIV орташа тұрақты қозғалысқа наложендік шағын perturbation емес. Бұл – ішкі түрде сызықтық емес, өзін-өзі басқаратын немесе өзін-өзі реттейтін, көп дәрежелі еркіндікке ие құбылыс. Ол екі тұрақсыз жылдамдық қабатының және ірі масштабты құрылымдардың болуымен көрінетін тұрақсыз ағыс сипаттамаларын көрсетеді. Көп нәрсе белгілі және түсінікті, ал қалғаны әлі де эмпирикалық/сипаттамалық білім саласында қалып отыр: басым жауапты жиілік, нормаланған жылдамдық диапазоны, фазалық бұрыштың өзгеруі (күштің орын ауыстыруға қатысты алдын бағу деңгейі) және басқарушы және ықпал ететін параметрлерге байланысты синхронизациялық диапазондағы жауап амплитудасы қандай? Өнеркәсіптік қолданыстар сұйықтық-құрылымдық өзара әрекеттесудің динамикалық жауабын болжау мүмкін еместігін көрсетеді. Олар әлі де көтерілу коэффициенттерінің (немесе көлденең күштің) фазалық және фазадан тыс компоненттерін, желілік соғу коэффициенттерін, корреляциялық ұзындықтарын, демпферлеу коэффициенттерін, салыстырмалы қалыңдығын, жылдамдық градиентін, толқындарды және ағыстарды, сондай-ақ басқа да басқарушы және ықпал ететін параметрлерді енгізуді талап етеді, демек, салыстырмалы түрде үлкен қауіпсіздік коэффициенттерін де талап етеді. Негізгі зерттеулер, сондай-ақ кең ауқымды эксперименттер (осы нәтижелер ашық әдебиетте жарияланғанда) құрылымның жауабы мен басқарушы және ықпал ететін параметрлер арасындағы байланысты сандық тұрғыдан анықтау үшін қажетті түсінікті қамтамасыз етеді. Ағымдағы зертханалық деңгейдегі зерттеулердің, көбінесе және ең маңыздысы дөңгелек цилиндр үшін, бос кеңістіктегі қатты денелердің (еркіндік дәрежесі алтыдан көбінесе бірге дейін – яғни көлденең қозғалыс) үш өлшемді бөлінген ағыспен өзара әрекеттесуіне қатысты екенін жеткілікті түрде баса айту қажет.