Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Движения, возникающие у тел в потоке жидкости под воздействием вихрей.
Motions induced on bodies within a fluid flow due to vortices in the fluid
В гидродинамике вибрации, вызванные вихрями (VIV), – это движения, возникающие у тел, взаимодействующих с внешним потоком жидкости, и обусловленные периодическими возмущениями в этом потоке или движением, вызывающим эти возмущения. Классическим примером является VIV подводного цилиндра. Как это происходит, можно увидеть, поместив цилиндр в воду (например, в бассейн или даже в ведро) и перемещая его в воде в направлении, перпендикулярном его оси. Поскольку реальные жидкости всегда обладают некоторой вязкостью, поток вокруг цилиндра замедляется при контакте с его поверхностью, образуя так называемый пограничный слой. Однако в определенный момент этот слой может отделиться от тела из-за его избыточной кривизны. Затем формируется вихрь, изменяющий распределение давления по поверхности. Если вихрь не формируется симметрично вокруг тела (относительно его средней плоскости), на каждой стороне тела развиваются различные подъемные силы, что приводит к движению, поперечному потоку. Это движение изменяет характер формирования вихря таким образом, что приводит к ограниченной амплитуде колебаний (в отличие от того, что можно было бы ожидать в типичном случае резонанса). Этот процесс повторяется до тех пор, пока скорость потока существенно не изменится. VIV проявляется во многих различных областях техники, от кабелей до пучков труб теплообменников. Это также важный фактор при проектировании морских сооружений. Таким образом, изучение VIV является частью многих дисциплин, включая гидромеханику, строительную механику, теорию колебаний, вычислительную гидродинамику (CFD), акустику, статистику и интеллектуальные материалы.
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
Они встречаются во многих инженерных ситуациях, таких как мосты, дымовые трубы, линии электропередач, поверхности управления самолетами, морские платформы, термокарманы, двигатели, теплообменники, подводные кабели, буксируемые кабели, подъемные колонны для бурения и добычи нефти, якорные канаты, закрепленные конструкции, плавучие конструкции, корпуса с понтонами и шпоровыми элементами, трубопроводы, прокладка кабелей, элементы оболочечных конструкций и другие гидродинамические и гидроакустические применения. Недавний интерес к длинным цилиндрическим элементам в воде обусловлен разработкой месторождений углеводородов на глубинах 1000 м и более. См. также и. Вибрация, вызванная вихревым срывом (VIV), является важным источником усталостных повреждений при морской нефтегазовой разведке, бурении, экспортных и производственных подъемных колоннах, включая стальные катенерные подъемные колонны (SCR) и тендеры или тросы платформ с натяжными опорами (TLP). Эти тонкие конструкции подвергаются воздействию потока и движений верхнего конца судна, что приводит к относительным движениям конструкции и потока и вызывает VIV. Одна из классических задач открытого потока в гидродинамике связана с обтеканием круглого цилиндра или, в более общем случае, обтеканием тела с тупым передним краем. При очень низких числах Рейнольдса (основанных на диаметре цилиндрического элемента) линии тока результирующего потока идеально симметричны, как и ожидается из теории потенциала. Однако, с увеличением числа Рейнольдса поток становится асимметричным и образуется так называемая улица вихрей Кармана. Движение цилиндра, возникающее в результате срыва вихрей, может быть использовано для выработки электроэнергии. Число Струхаля связывает частоту срыва вихрей со скоростью потока и характерным размером тела (диаметром в случае цилиндра). Оно определяется как и названо в честь Ченка (Винсента) Струхаля (чешского ученого). В уравнении fst – частота срыва вихрей (или частота Струхаля) тела в состоянии покоя, D – диаметр круглого цилиндра, а U – скорость окружающего потока.
They occur in many engineering situations, such as bridges, stacks, transmission lines, aircraft control surfaces, offshore structures, thermowells, engines, heat exchangers, marine cables, towed cables, drilling and production risers in petroleum production, mooring cables, moored structures, tethered structures, buoyancy and spar hulls, pipelines, cable laying, members of jacketed structures, and other hydrodynamic and hydroacoustic applications. The most recent interest in long cylindrical members in water ensues from the development of hydrocarbon resources in depths of 1000 m or more. See also and. Vortex induced vibration (VIV) is an important source of fatigue damage of offshore oil exploration drilling, export, production risers, including steel catenary risers (SCRs) and tension leg platform (TLP) tendons or tethers. These slender structures experience both current flow and top end vessel motions, which both give rise to the flow structure relative motions and cause VIVs. One of the classical open flow problems in fluid mechanics concerns the flow around a circular cylinder, or more generally, a bluff body. At very low Reynolds numbers (based on the diameter of the circular member) the streamlines of the resulting flow is perfectly symmetric as expected from potential theory. However, as the Reynolds number is increased the flow becomes asymmetric and the so called Kármán vortex street occurs. The motion of the cylinder thus generated due to the vortex shedding can be harnessed to generate electrical power. The Strouhal number relates the frequency of shedding to the velocity of the flow and a characteristic dimension of the body (diameter in the case of a cylinder). It is defined as and is named after Čeněk (Vincent) Strouhal (a Czech scientist). In the equation fst is the vortex shedding frequency (or the Strouhal frequency) of a body at rest, D is the diameter of the circular cylinder, and U is the velocity of the ambient flow.
Запрет на прохождение
Число Струхаля для цилиндра равно 0,2 в широком диапазоне скоростей потока. Явление захвата происходит, когда частота срыва вихрей становится близкой к собственной основной частоте колебаний конструкции. В этом случае могут возникнуть значительные и разрушительные вибрации.
The Strouhal number for a cylinder is 0.2 over a wide range of flow velocities. The phenomenon of lock in happens when the vortex shedding frequency becomes close to a natural fundamental frequency of vibration of a structure. When this occurs, large and damaging vibrations can result.
Современное состояние техники
За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс как в численном, так и в экспериментальном плане в понимании кинематики (динамики) VIV, хотя и в режиме низких чисел Рейнольдса. Основная причина этого заключается в том, что VIV – это не малая возмущающая составляющая, наложенная на среднее стационарное движение. Это по своей сути нелинейное, саморегулирующееся явление с множеством степеней свободы. Оно характеризуется неустановившимся течением, проявляющимся в существовании двух неустойчивых сдвиговых слоев и крупномасштабных структур. Многое известно и понятно, и многое остается в эмпирической/описательной области знаний: какова доминирующая частота отклика, диапазон нормированной скорости, изменение фазового угла (насколько сила опережает смещение) и амплитуда отклика в диапазоне синхронизации как функция управляющих и влияющих параметров? Промышленные приложения подчеркивают нашу неспособность предсказывать динамический отклик при взаимодействии жидкости и конструкции. Они по-прежнему требуют ввода фазовых составляющих коэффициентов подъема (или поперечной силы), коэффициентов лобового сопротивления, длин корреляции, коэффициентов демпфирования, относительной шероховатости, сдвига, волн и течений, среди других управляющих и влияющих параметров, и, следовательно, также требуют ввода значительных коэффициентов запаса прочности. Фундаментальные исследования, а также крупномасштабные эксперименты (когда их результаты публикуются в открытой литературе) обеспечат необходимое понимание для количественной оценки взаимосвязи между откликом конструкции и управляющими и влияющими параметрами. Нельзя переоценить, что современный уровень лабораторных исследований касается взаимодействия жесткого тела (преимущественно и наиболее важно – круглого цилиндра), у которого число степеней свободы сокращено с шести до часто одной (то есть поперечного движения) с трехмерным отрывным потоком, доминирующим крупномасштабными вихревыми структурами.
Much progress has been made during the past decade, both numerically and experimentally, toward the understanding of the kinematics (dynamics) of VIV, albeit in the low Reynolds number regime. The fundamental reason for this is that VIV is not a small perturbation superimposed on a mean steady motion. It is an inherently nonlinear, self governed or self regulated, multi degree of freedom phenomenon. It presents unsteady flow characteristics manifested by the existence of two unsteady shear layers and large scale structures. There is much that is known and understood and much that remains in the empirical/descriptive realm of knowledge: what is the dominant response frequency, the range of normalized velocity, the variation of the phase angle (by which the force leads the displacement), and the response amplitude in the synchronization range as a function of the controlling and influencing parameters? Industrial applications highlight our inability to predict the dynamic response of fluid–structure interactions. They continue to require the input of the in phase and out of phase components of the lift coefficients (or the transverse force), in line drag coefficients, correlation lengths, damping coefficients, relative roughness, shear, waves, and currents, among other governing and influencing parameters, and thus also require the input of relatively large safety factors. Fundamental studies as well as large scale experiments (when these results are disseminated in the open literature) will provide the necessary understanding for the quantification of the relationships between the response of a structure and the governing and influencing parameters. It cannot be emphasized strongly enough that the current state of the laboratory art concerns the interaction of a rigid body (mostly and most importantly for a circular cylinder) whose degrees of freedom have been reduced from six to often one (i. e., transverse motion) with a three dimensional separated flow, dominated by large scale vortical structures.