一种考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型的制作方法

本发明涉及一种考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，属于风电动态预报模型。

背景技术：

1、工程中的柱体在工作过程中可能会发生涡激振动。在海上风电领域，动态电缆在海洋动力环境中的运动就是一类典型的圆柱涡激振动。当动态电缆的一端固定在漂浮式或者固定式海上平台上，另一端埋设在海底时收到海流的激励，动态电缆会发生舞动，其中横向的舞动就主要是由于海流在流经动态电缆时产生的漩涡脱落引发的。所以，本发明所提出的圆柱涡激振动预报可以提升动态电缆铺设和服役过程中的运动和内力估计，提升动态电缆施工和运维技术水平。

2、涡激振动的预报方法通常有两种，一种是计算流体力学方法(cfd)，另一种是经验公式或经验模型方法。cfd方法可以对柱体周围的流动进行模拟和分析，预测涡旋结构形成和相互作用，进而预测涡激振动的频率、幅度和影响，但是需要消耗大量计算资源，对于较高雷诺数的模拟不够准确。经验模型方法预测中，尾涡振子模型应用广泛。该模型将尾涡与柱体进行耦合，考虑尾涡对柱体振动的激励作用，是一种构建的动力系统模型，可以实现对涡激振动的快速预报。尽管该模型能捕捉到涡激振动的主要特征，但是仍需要进一步修正以提高模型预报准确度。

3、论文(y.l.feng,d.y.chen,s.w.li,q.xiao&w.li.vortex-induced vibrationsof fexible cylinders predicted by wake oscillator model with randomcomponents of mean drag coeffcient and lift coeffcient，ocean engineering,2022年251卷)中报道了在平均阻力系数cd0和升力系数cl0中引入随机分量来修正尾涡振子模型。但是涡激振动随机性的根源包括湍流、沿杆件长度随机分布的结构缺陷以及流体-结构相互作用的非线性等，仅修正力系数不够全面，不能反映真实物理响应。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型。

2、本发明通过以下技术方案得以实现。

3、本发明提供的一种考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，包括：所述对柱体涡激振动建模包括：

4、c1、得到结构运动方程和尾涡振子方程的三维确定性耦合模型；

5、c2、确定模型随机参数的统计特征；其中，升阻力系数由物理模型实验和数值模拟结果统计分析得到，其余经验系数由结果反演获得所有的可能取值，再对其统计分析；

6、c3、确定模型的边界条件和初始条件。

7、所述结构运动方程为：

8、

9、其中，

10、r＝x+iy

11、f＝fx+ify

12、

13、r＝rs+rf＝2ξdmωs+γρd2ωf

14、

15、式中，m为单位长柱体质量；激励力f是施加在柱体上的流体力，分解成fx和fy；r是指位移向量，包括x位移和y位移；i为虚部单位；z为柱体长度方向的坐标；x方向上的外力fx是平均阻力和振荡阻力之和；t为时间；质量m包括结构质量ms和附加质量mf；ρ为流体密度；d为柱体直径；e为弹性模量；i为截面惯性矩；ca被视为常数，忽略其变化；阻尼r被分解为结构阻尼rs和附加阻尼rf；γ是由试验确定的常数；ξd为阻尼比；由于柱体的质量比较低，其水中的特征固有频率ωs将由在空气中的固有频率ωn考虑附加质量以后得到；刚度ei被假定为沿着圆柱体的长度是恒定的；张力t被模拟为流速u的函数；ωf＝2πstu/d为尾涡脱落频率。

16、当仅有水流时，柱体顺流向受力计算公式为：

17、fx＝fd+fd′ (7)

18、式中顺流向阻力fx由平均阻力fd和振荡阻力f’d组成。

19、平均阻力计算公式为：

20、

21、在公式中引入表征尾涡特性的变量p和q来计算振荡的升力和阻力

22、

23、式中cdi为振荡阻力系数；cdi0为振荡阻力系数幅值；cl为升力系数；cl0为升力系数幅值。

24、所述尾涡振子方程为：

25、

26、其中εx、εy、ax和ay对应x和y方向的经验系数。

27、模型中反映柱体结构特征和流场尾涡特征的系数沿着柱体轴向、随着时间变化，且为伪随机数；其中，升阻力系数由物理模型实验和数值模拟结果统计分析得到，其余经验系数由结果反演获得所有的可能取值，再对其统计分析。具体做法是：假设升力系数和阻力系数均是平均值和伪随机波动之和，由于阻力系数和升力系数随机性的存在，它们的统计量比在单个试验模拟中的实际值更为重要。为了生成阻力系数cd0和升力系数cl0的统计数据，收集大量试验和数值模拟的数据，并将其绘制为雷诺数(re)的对数的函数，计算与不同的雷诺数re范围相对应的随机力系数的统计量；对于其他待定系数，则是由振幅、频率等文献报道的结果反推获得，同一工况下获得的系数进行统计分析得到其均值和方差等统计特征。

28、

29、所述边界条件为：

30、

31、其中，l为柱体长度。

32、，所述初始条件为：

33、r(z,0)＝0，

34、p(z,0)＝q(z,0)＝2，

35、其中，当t＝0，0＜z＜l时，r(z,0)为初始位移，为初始速度，p(z,0)和q(z,0)为尾涡振子分别在顺流向和横流向的初始值，和为振子顺流向和横流向振动速度的初始值。

36、所述对模型进行求解的结果包括：得到振动幅值、振动频率以及振动模态。

37、在第二方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令被计算机的处理器执行时使所述处理器执行上述方法。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

39、将尾涡振子预报模型中引入随机参数影响，实现对模型的修正，从而提高模型对涡激振动的预报准确性。

技术特征：

1.一种考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，其特征在于，包括，对柱体涡激振动建模时考虑随机参数影响；

2.如权利要求1所述的考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，其特征在于，

3.如权利要求1所述的考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，其特征在于，

4.如权利要求1所述的考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，其特征在于，

5.如权利要求1所述的考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，其特征在于，

技术总结
本发明公开一种考虑随机参数影响的涡激振动经验预报模型，所述模型的构建包括三步：C1、得到结构运动方程和尾涡振子方程的三维确定性耦合模型；C2、确定模型随机参数的统计特征；其中，升阻力系数由物理模型实验和数值模拟结果统计分析得到，其余经验系数由实验和模拟结果反演获得所有的可能取值，再对其统计分析；C3、确定模型的边界条件和初始条件。将尾涡振子预报模型中引入随机参数影响，实现对模型的修正，从而提高模型对涡激振动的预报准确性。

技术研发人员：叶炜,孙天学,王坤,李闯业,黄韬,张凯,冉茂婷,周熙
受保护的技术使用者：中国电建集团贵州工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/31