一种针对雷诺平均法的涡激振动振幅预报曲线修正方法与流程

本发明属于海洋工程立管涡激振动响应预报技术领域，尤其是涉及一种针对雷诺平均法的涡激振动振幅预报曲线修正方法。

背景技术：

立管是海洋资源开发系统中的关键部分，在实际工作环境中，立管在流载荷的作用下会发生涡激振动，造成疲劳或者结构破坏，因此在设计过程中必须对其涡激振动响应进行预报。数值模拟法是工程中常用的预报方法之一，其中雷诺平均法的应用最为广泛。然而由于在湍流模型的构建中引入了过多假设，使得雷诺平均法在计算立管涡激振动问题时存在误差。

雷诺平均法对于立管涡激振动问题的计算误差在振幅响应中尤其明显。对于低质量阻尼比立管，最大振幅随速度的变化曲线往往呈现出三个分支，即初始分支，上端分支与下端分支，在分支之间，振幅响应会发生跳跃。传统的雷诺平均法对于分支跳跃点，特别是上端分支与下端分支之间的跳跃点的预测存在较大误差，造成振幅-速度曲线最大振幅附近的计算结果与实际值之间存在较大偏差，使得传统方法对于立管涡激振动的最大振幅以及对应的流速的预报结果均不够准确，从而无法正确指导立管的参数设计。

技术实现要素：

本发明为了解决传统方法中最大振幅附近的计算结果与实际值之间存在较大偏差，立管涡激振动的最大振幅以及对应的流速的预报结果均不准确的问题，提供了一种用于提高立管涡激振动雷诺平均法预报精度的振幅曲线修正方法。该方法主要基于对分支跳跃点附近振幅响应分岔特性的量化分析，得到相应区间的振幅曲线修正方法，从而提升振幅响应的预报精度。

本发明所采取的技术方案为：一种针对雷诺平均法的涡激振动振幅预报曲线修正方法，包括以下步骤

s01建立立管涡激振动数值模型；

s02采用sst湍流模型，计算预设参数下立管的涡激振动最大振幅随流速的响应曲线最大振幅-速度预报曲线c1；

s03在最大振幅附近的速度区间中，计算脉冲扰动后的涡激振动响应，记录各流速下能造成稳定阶段运动状态改变的临界扰动值；

s04绘制临界扰动值-速度曲线c2，将曲线延长并与x轴相交，得到交点处的速度为u交；

s05在曲线c1最大值处将曲线c1延长至x＝u交处，并将延长部分代替对应流速区间中原有的曲线，得到振幅修正曲线。

进一步的，步骤s03具体为

a取最大振幅点对应的工况，在系统振动稳定阶段对圆柱施加脉冲扰动，求得能使稳定阶段运动状态发生改变的最小扰动值为临界扰动值；

b将无量纲速度值减小0.1，重复a步骤的计算流程，求取该速度下的临界扰动值，若临界扰动值小于等于0.5d，则重复该步骤，若临界扰动值大于0.5d或者不存在，则进入下一步。

进一步的，所述立管涡激振动数值模型中数值模拟的边界条件为：

圆柱表面：无滑移壁面；

入口：流速从0增加到预设值然后保持恒定；

出口：静压力为0；

其余边界为对称面。

进一步的，采用重叠网格对所述立管涡激振动数值模型进行数值模拟，所述圆柱表面第一层网格的y+值小于1；y+的定义为：

其中，δy表示第一层网格的厚度，d表示圆柱直径，re表示流场雷诺数。

进一步的，数值模拟的时间步长δt的选取原则为使得计算过程中库朗数的最大值等于0.1～0.2；

库朗数的具体计算公式为：

其中，δx表示网格尺寸，u表示流速。

进一步的，脉冲扰动的施加方式为取圆柱运动到平衡位置的时刻，顺着其原有运动趋势，施加一个脉冲位移扰动。

进一步的，临界扰动值的求法为：

施加大小为0.6d的位移扰动，待运动稳定后，若运动状态与施加扰动之前相比没有变化，则此速度下临界扰动值不存在；若运动状态发生改变，则将位移扰动值减小0.02d，观察稳定之后的运动状态是否有变化；重复上述步骤，得到能够造成状态变化的位移扰动的最小值即为临界扰动值。

进一步的，步骤s04中曲线c2延长方式为：以速度为x轴，临界扰动值为y轴，绘制临界扰动值-速度曲线c2；将曲线c2沿末端切线方向延长并与x轴相交，得到交点处的速度为u交。

进一步的，步骤s05中曲线c1延长方式为：在所得最大振幅-位移曲线c1中，在最大值处将曲线c1沿末端切线方向延长至x＝u交处，并将延长部分代替对应区间中原有的曲线，得到振幅修正曲线。

本发明所产生的有益效果包括：本发明提出了一种用于提高立管涡激振动雷诺平均法预报精度的振幅曲线修正方法，该方法首先采用sst湍流模型，计算预设参数下立管的涡激振动最大振幅随流速的响应曲线；然后在最大振幅附近的速度区间中，计算扰动后的涡激振动响应，记录各流速下能造成稳定阶段运动状态改变的临界扰动值；之后绘制临界扰动值-流速曲线，并将曲线按照原有趋势延长，求得延长线与速度轴的交点所对应的速度值；最后，在最大振幅-流速曲线中，在最大振幅处将曲线按照原有趋势延长至上一步中求得的速度处，并将延长部分代替原有的曲线，得到振幅修正曲线。该方法的适用对象为低质量阻尼比圆柱形立管，主要用于修正传统雷诺平均法在计算低质量阻尼比圆柱涡激振动问题时，由于自身的局限性所造成的分支跳跃点的计算误差，从而得到精度更高的最大振幅预报曲线，能够更准确地指导立管的参数设计，该方法可将雷诺平均法对立管涡激振动最大振幅幅值及其对应流速的预报误差降低30％以上。

附图说明

图1是本发明的振幅曲线修正方法流程图。

图2是本发明数值模型示意图。

图3为本发明初始的最大振幅-速度预报曲线中响应分支示意图。

图4为本发明临界扰动值-速度曲线，以及其延长线与x轴交点示意图。

图5为振幅修正曲线示意图以及修正曲线与实验结果的对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种用于提高立管涡激振动雷诺平均法预报精度的振幅曲线修正方法进行详细说明。

如图1，本发明的振幅曲线修正方法流程图所示，本发明包括如下步骤：

a.在计算流体力学(cfd)软件中建立立管涡激振动数值模型。其中，数值模拟的边界条件为：圆柱表面：无滑移壁面；入口：流速从0增加到预设值然后保持恒定；出口：静压力为0；其余边界为对称面。数值模拟的网格采用重叠网格，并保证圆柱表面第一层网格的y+值小于1。y+的定义为：

其中，δy表示第一层网格的厚度，d表示圆柱直径，re表示流场雷诺数。

b.运用sst湍流模型对上述数值模型进行计算，计算不同流速下立管的涡激振动最大振幅，以x轴为无量纲流速，y轴为横流向最大振幅，得到立管的最大振幅-速度预报曲线c1。

数值模拟的时间步长δt的选取原则为使得计算过程中库朗数(courantnumber)的最大值等于0.2。库朗数的具体计算公式为：

其中，δx表示网格尺寸，u表示流速。

c.取最大振幅点所对应的流速工况，在其稳定阶段对其施加脉冲扰动，然后继续运算直至稳定，求得能使稳定后运动状态发生改变的最小扰动值为临界扰动值。其中，脉冲扰动的施加方式为取圆柱运动到平衡位置的时刻，顺着其原有运动趋势，施加一个脉冲位移扰动。临界扰动值的求法为：首先施加的位移扰动大小为0.6d，待运动稳定后，若运动状态与施加扰动之前相比没有变化，则此速度(即流速)下临界扰动值不存在；若运动状态发生改变，则将位移扰动值减小0.02d，观察稳定之后的运动状态是否有变化。重复上述步骤，得到能够造成状态变化的位移扰动的最小值即为临界扰动值。

d.将无量纲速度值减小0.1，重复c中的计算流程，求取该速度下的临界扰动值，然后进行如下判断：若临界扰动值小于等于0.5d，则重复该步骤，若临界扰动值大于0.5d或者不存在，则该步骤终止。

e.以速度为x轴，临界扰动值为y轴，将上一步中得到的结果绘制成临界扰动值-速度曲线c2。运用该方法得到的曲线c2是一条在最大振幅点附近的小段速度区间中，沿着x轴递减但始终大于0的曲线，并且分支跳跃点处于最小临界扰动值所对应的速度处。实际情况中，分支跳跃点应当处于临界扰动值＝0所对应的流速上，因此将曲线c2按照原有趋势延长并与x轴相交，得到交点处的速度为u交，即为修正后的上端分支与下端分支跳跃点所对应的流速。

f.在步骤a所得的最大振幅曲线c1中，在上端分支的末端，即最大振幅处将曲线c1按照原有趋势延长至x＝u交处，并将延长部分代替对应区间原有的曲线，其他部分保持不变，即可得到振幅修正曲线。

该方法的适用对象为低质量阻尼比圆柱形立管，主要用于修正传统雷诺平均法在计算低质量阻尼比圆柱涡激振动问题时，由于自身的局限性所造成的分支跳跃点的计算误差，从而得到精度更高的最大振幅预报曲线，能够更准确地指导立管的参数设计。

下面通过一个实例的应用对本方法进行验证

在计算流体力学软件中建立如图2所示的立管涡激振动数值模型，具体参数为：立管直径d＝0.0381m，质量比m*＝2.6，质量阻尼比m*ξ＝0.013，立管在静水中的振动固有频率fn＝0.4hz。

运用sst湍流模型对上述数值模型进行计算，计算不同流速下立管的涡激振动最大振幅，求得最大振幅对应的无量纲速度为ur＝6.8。

运用本发明方法，在最大振幅附近的速度区间中，计算扰动后的涡激振动响应，记录各流速下能造成响应突变的临界扰动值；之后绘制临界扰动值-速度曲线，并将曲线按照原有趋势延长，求得延长线与速度轴的交点所对应的速度值，如图4所示。

最后运用本发明的振幅修正方法，在最大振幅-速度预报曲线中，在最大振幅处将曲线按照原有趋势延长至上一步中求得的速度处，并将延长部分代替原有的曲线，得到振幅修正曲线，如图5所示。同时，将实验结果也绘于图5中进行对比。

从图5中可以看出，修正后的最大振幅曲线与实验结果更加接近，相比于传统方法，精度提升可达30％以上。

上述实例仅用来说明本发明的一种用于提高立管涡激振动雷诺平均法预报精度的振幅曲线修正方法，但本发明并不局限于实例，凡是依据本发明的技术实质对以上实例做的任何简单修改以及等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围。