Vibrace vyvolané víry - Vortex-induced vibration

Numerická simulace vibrací vyvolaných vírem v důsledku proudění kolem kruhového válce.^[1]

v dynamika tekutin, vibrace vyvolané vírem (VIV) jsou pohyby vyvolané na těla interakce s externím proudění tekutin, produkovaný - nebo produkující pohyb - pravidelné nesrovnalosti na tomto toku.

Klasickým příkladem je VIV podvodního válce. Jak se to stane, můžete vidět tak, že do vody vložíte válec (bazén nebo dokonce kbelík) a pohybujete ním vodou ve směru kolmém k jeho ose. Protože skutečné tekutiny vždy nějaké obsahují viskozita, bude tok kolem válce zpomalen při kontaktu s jeho povrchem, čímž vznikne tzv mezní vrstva. V určitém okamžiku však tato mezní vrstva může samostatný z těla kvůli jeho nadměrnému zakřivení. Víry poté se vytvoří změna rozložení tlaku podél povrchu. Když víry nejsou vytvořeny symetricky kolem těla (vzhledem k jeho střední rovině), jiné zvedací síly se vyvíjejí na každé straně těla, což vede k pohybu příčnému toku. Tento pohyb mění povahu formování víru takovým způsobem, že vede k omezené amplitudě pohybu (odlišně od toho, co by se dalo očekávat v typickém případě rezonance ).

VIV se projevuje v mnoha různých odvětvích inženýrství, od kabelů po výměník tepla trubicová pole. Je to také hlavní faktor při navrhování oceánských struktur. Studium VIV je tedy součástí řady oborů mechanika tekutin, strukturální mechanika, vibrace, výpočetní dynamika tekutin (CFD), akustika, statistika, a chytré materiály.

Motivace

Vyskytují se v mnoha technických situacích, jako jsou mosty, komíny, přenosová vedení, řídicí plochy letadel, pobřežní konstrukce, jímky, motory, výměníky tepla, námořní kabely, tažené kabely, vrtací a výrobní stoupačky v ropné výrobě, kotvící kabely, kotvící konstrukce, upoutané struktury, vztlakové a trupové trupy, potrubí, pokládání kabelů, prvky opláštěných konstrukcí a další hydrodynamické a hydroakustické aplikace ^[2]. Nejnovější zájem o dlouhé válcové prvky^[3] ve vodě vyplývá z rozvoje zdrojů uhlovodíků v hloubkách 1 000 m nebo více. Viz také^[4] a ^[5].

Vibrace vyvolané víry (VIV) jsou důležitým zdrojem únavového poškození offshore průzkum ropy vrtání, vývoz, výroba stoupačky, včetně ocelové trolejové stoupačky (SCR) a napínací platforma nohou (TLP) šlachy nebo postroje. Tyto štíhlé struktury zažívají jak proudění proudu, tak pohyby horní části cévy, které oba způsobují relativní pohyby průtokové struktury a způsobují VIV.

Jeden z klasických problémů s otevřeným tokem v mechanice tekutin se týká proudění kolem kruhového válce, nebo obecněji a blufovat tělo. Na velmi nízké úrovni Reynoldsova čísla (na základě průměru kruhového prvku) jsou proudnice výsledného toku dokonale symetrické, jak se očekávalo z teorie potenciálu. Se zvyšujícím se Reynoldsovým číslem se však tok stává asymetrickým a tzv Kármán vír ulice dojde. Pohyb válce takto generovaný v důsledku uvolňování víru lze využít k výrobě elektrické energie.^[6]

The Strouhal číslo Vztahuje frekvenci úniku k rychlosti proudění a charakteristickému rozměru tělesa (průměr v případě válce). Je definován jako ${displaystyle St = f_ {st} D / U}$ a je pojmenována po Čeněkovi (Vincentovi) Strouhal (český vědec).^[7] V rovnici f_Svatý je víření frekvence (nebo Strouhalova frekvence) těla v klidu, D je průměr kruhového válce a U je rychlost proudění okolí.

Uzamykatelný rozsah

Strouhalovo číslo pro válec je 0,2 v širokém rozsahu rychlostí proudění. Fenomén uzamčení nastane, když se frekvence uvolňování víru přiblíží k a vlastní frekvence vibrací konstrukce. V takovém případě může dojít k velkým a škodlivým vibracím.

Současný stav techniky

Během posledního desetiletí bylo dosaženo značného pokroku, a to jak numericky, tak experimentálně, směrem k pochopení kinematika (dynamika ) VIV, i když v režimu nízkých Reynoldsových čísel. Základním důvodem je to, že VIV není malá odchylka navrstvená na střední ustálený pohyb. Je to neodmyslitelně nelineární, samosprávný nebo samoregulační fenomén s více stupni svobody. Představuje nestacionární tokové charakteristiky projevující se existencí dvou nestacionárních stříhat vrstev a rozsáhlých struktur.

V empirické / popisné říši znalostí je toho mnoho, co je známo a pochopeno, a toho, co je dominantní odpovědí frekvence, rozsah normalizovaných rychlost, variace fáze úhel (kterým platnost vede přemístění ) a odpověď amplituda v rozsahu synchronizace jako funkce řídících a ovlivňujících parametrů? Průmyslové aplikace zdůrazňují naši neschopnost předvídat dynamickou odezvu interakcí tekutina-struktura. I nadále vyžadují vstup fázových a mimofázových složek koeficientů výtahu (nebo příčné síly), koeficientů odporu v řadě, korelačních délek, koeficientů tlumení, relativní drsnosti, smyku, vln a proudů , mimo jiné řídící a ovlivňující parametry, a proto také vyžadují zadání relativně velkých bezpečnostních faktorů. Základní studie i rozsáhlé experimenty (jsou-li tyto výsledky šířeny v otevřené literatuře) poskytnou potřebné porozumění pro kvantifikaci vztahů mezi odpovědí struktury a řídícími a ovlivňujícími parametry.

Nelze dostatečně důrazně zdůraznit, že současný stav laboratorního umění se týká interakce tuhého tělesa (většinou a nejdůležitějšího pro kruhový válec), jehož stupně volnosti byly sníženy ze šesti na často jeden (tj. Příčný pohyb) s trojrozměrný oddělený tok, kterému dominují velké vírové struktury.

Viz také

Reference

^ Viz: Placzek, A .; Sigrist, J.-F .; Hamdouni, A. (2009), „Numerická simulace oscilačního válce v příčném toku při nízkém Reynoldsově čísle: nucené a volné oscilace“ (PDF), Počítače a kapaliny, 38 (1): 80–100, doi:10.1016 / j.compfluid.2008.01.007
^ King, Roger (BHRA Fluid Engineering), Vortex Excited Structural Oscillations of a Circle Cylinder in Steady Currents, OTC 1948, str. 143-154, Ocean Technology Conference, 6-8 May, 1974, Houston, Texas, USA. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS
^ Vandiver, J. Kim, Drag Coefficients of Long Flexible Cylinders, OTC 4490, Ocean Technology Conference, 2. - 5. května 1983, Houston, Texas, USA. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS
^ Verley, R.L.P. (BHRA), Every, M.J. (BHRA), Wave Induced Vibration of Flexible Cylinders, OTC 2899, Ocean Technology Conference, 2-5 May, 1977, Houston, Texas, USA. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS
^ Jones, G., Lamb, W.S., The Vortex Induced Vibration of Marine Risers in Sheared and Critical Flows, Advances in Underwater Technology, Ocean Science and Offshore Engineering, Vol. 29, s. 209-238, Springer Science + Business Media, Dordrecht 1993.
^ Soti A. K., Thompson M., Sheridan J., Bhardwaj R., Harnessing Electrical Power from Vortex-Induced Vibration of a Circle Cylinder, Journal of Fluids and Structures, Vol. 70, Pages 360–373, 2017, DOI: jfluidstructs.2017.02.009
^ Strouhal, V. (1878) „Ueber eine besondere Art der Tonerregung“ (Na neobvyklém druhu zvukové excitace), Annalen der Physik und Chemie, 3. série, 5 (10) : 216–251.

Další čtení

Bearman, P. W. (1984), "Vortex se vylučuje z oscilačních blufujících těles", Roční přehled mechaniky tekutin, 16: 195–222, Bibcode:1984AnRFM..16..195B, doi:10.1146 / annurev.fl.16.010184.001211
Williamson, C. H. K .; Govardhan, R. (2004), „Vibrace vyvolané víry“, Roční přehled mechaniky tekutin, 36: 413–455, Bibcode:2004AnRFM..36..413W, doi:10.1146 / annurev.fluid.36.050802.122128
Sarpkaya, T. (1979), „Oscilace vyvolané víry: selektivní recenze“, Journal of Applied Mechanics, 46 (2): 241–258, Bibcode:1979JAM .... 46..241S, doi:10.1115/1.3424537
Sarpkaya, T. (2004), „Kritický přehled vnitřní povahy vibrací vyvolaných víry“, Journal of Fluids and Structures, 19 (4): 389–447, Bibcode:2004JFS .... 19..389S, doi:10.1016 / j.jfluidstructs.2004.02.005, hdl:10945/15340
Sarpkaya, T .; Isaacson, M. (1981), Mechanika vlnových sil na pobřežních strukturách, Van Nostrand Reinhold, ISBN 978-0-442-25402-5
Sumer, B. Mutlu; Fredsøe, Jørgen (2006), Hydrodynamika kolem válcových strukturPokročilé řady o oceánském inženýrství, 26 (přepracované vydání), World Scientific, ISBN 978-981-270-039-1
Naudascher, Edward; Rockwell, Donald (2005) [1994], Vibrace vyvolané tokem - Průvodce inženýrstvím, Mezinárodní asociace pro hydraulický výzkum (IAHR), 7 (Opravená reedice prvního vydání.), Dover Publications, Inc., Mineola, New York, USA (A. A. Balkema Publishers, Rotterdam, Nizozemsko), ISBN 978-0-486-44282-2 (Pozn. Opětovné vydání obsahuje další seznam chyb v příloze.)
Hong, K.-S .; Shah, U. H. (2018), „Vibrace vyvolané víry a řízení námořních stoupaček: recenze“, Ocean Engineering, 152: 300–315, doi:10.1016 / j.oceaneng.2018.01.086

externí odkazy

[1] Viz: Placzek, A .; Sigrist, J.-F .; Hamdouni, A. (2009), „Numerická simulace oscilačního válce v příčném toku při nízkém Reynoldsově čísle: nucené a volné oscilace“ (PDF), Počítače a kapaliny, 38 (1): 80–100, doi:10.1016 / j.compfluid.2008.01.007

[2] King, Roger (BHRA Fluid Engineering), Vortex Excited Structural Oscillations of a Circle Cylinder in Steady Currents, OTC 1948, str. 143-154, Ocean Technology Conference, 6-8 May, 1974, Houston, Texas, USA. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-1948-MS

[3] Vandiver, J. Kim, Drag Coefficients of Long Flexible Cylinders, OTC 4490, Ocean Technology Conference, 2. - 5. května 1983, Houston, Texas, USA. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-4490-MS

[4] Verley, R.L.P. (BHRA), Every, M.J. (BHRA), Wave Induced Vibration of Flexible Cylinders, OTC 2899, Ocean Technology Conference, 2-5 May, 1977, Houston, Texas, USA. https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-2899-MS

[5] Jones, G., Lamb, W.S., The Vortex Induced Vibration of Marine Risers in Sheared and Critical Flows, Advances in Underwater Technology, Ocean Science and Offshore Engineering, Vol. 29, s. 209-238, Springer Science + Business Media, Dordrecht 1993.

[6] Soti A. K., Thompson M., Sheridan J., Bhardwaj R., Harnessing Electrical Power from Vortex-Induced Vibration of a Circle Cylinder, Journal of Fluids and Structures, Vol. 70, Pages 360–373, 2017, DOI: jfluidstructs.2017.02.009

[7] Strouhal, V. (1878) „Ueber eine besondere Art der Tonerregung“ (Na neobvyklém druhu zvukové excitace), Annalen der Physik und Chemie, 3. série, 5 (10) : 216–251.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]