В гидродинамике вихревые колебания ( ВВ ) представляют собой движения, возникающие в телах, взаимодействующих с внешним потоком жидкости , которые возникают под действием периодических неровностей в этом потоке или которые возникают в результате этого движения .
Классическим примером является VIV подводного цилиндра. Как это происходит, можно увидеть, поместив цилиндр в воду (бассейн или даже ведро) и перемещая его по воде в направлении, перпендикулярном его оси. Поскольку реальные жидкости всегда обладают некоторой вязкостью , поток вокруг цилиндра будет замедляться при контакте с его поверхностью, образуя так называемый пограничный слой . Однако в какой-то момент этот слой может отделиться от тела из-за его чрезмерной кривизны. Затем образуется вихрь , изменяющий распределение давления вдоль поверхности. Когда вихрь не образуется симметрично вокруг тела (относительно его средней плоскости), на каждой стороне тела развиваются различные подъемные силы , что приводит к движению, поперечному потоку. Это движение изменяет природу образования вихря таким образом, что приводит к ограниченной амплитуде движения (иначе, чем можно было бы ожидать в типичном случае резонанса ). Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока скорость потока существенно не изменится.
VIV проявляется во многих различных отраслях техники, от кабелей до решеток труб теплообменников . Это также является важным фактором при проектировании океанических сооружений. Таким образом, изучение VIV является частью многих дисциплин, включая механику жидкости , структурную механику , вибрации , вычислительную гидродинамику (CFD), акустику , статистику и интеллектуальные материалы .
Они встречаются во многих инженерных ситуациях, таких как мосты, дымовые трубы, линии электропередач, поверхности управления самолетами, морские сооружения, термокарманы, двигатели, теплообменники, морские кабели, буксируемые кабели, буровые и эксплуатационные стояки в нефтедобыче, швартовные кабели, швартовные конструкции, привязные конструкции, плавучесть и корпуса лонжеронов, трубопроводы, прокладка кабелей, элементы конструкций с кожухами и другие гидродинамические и гидроакустические приложения. [2] Самый последний интерес к длинным цилиндрическим элементам [3] в воде возникает в связи с разработкой углеводородных ресурсов на глубине 1000 м и более. См. также [4] и. [5]
Вибрация, вызванная вихрем (VIV), является важным источником усталостного повреждения стояков для разведочного бурения, экспорта и добычи нефти на шельфе, включая стальные стояки цепной связи (SCR) и натяжные опоры платформы (TLP) или тросы. Эти тонкие конструкции испытывают как поток тока, так и движение верхней части судна, которые оба вызывают относительные движения потока и структуры и вызывают VIV.
Одна из классических задач открытого потока в механике жидкости касается потока вокруг круглого цилиндра или, в более общем смысле, плохо обтекаемого тела . При очень низких числах Рейнольдса (основанных на диаметре круглого элемента) линии тока результирующего потока совершенно симметричны, как и ожидалось из потенциальной теории. Однако по мере увеличения числа Рейнольдса поток становится асимметричным и возникает так называемая вихревая дорожка Кармана . Движение цилиндра, возникающее таким образом из-за вихреобразования, может быть использовано для выработки электроэнергии. [6]
Число Струхаля связывает частоту вихреобразования со скоростью потока и характерным размером тела (диаметром в случае цилиндра). Оно определяется как и названо в честь Ченека (Винсента) Струхаля (чешского ученого). [7] В уравнении f st — частота вихреобразования (или частота Струхаля) покоящегося тела, D — диаметр кругового цилиндра, а U — скорость окружающего потока.
Число Струхаля для цилиндра составляет 0,2 в широком диапазоне скоростей потока. Явление запирания происходит, когда частота вихреобразования становится близкой к естественной основной частоте вибрации конструкции. Когда это происходит, могут возникнуть большие и разрушительные вибрации.
За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс, как численно, так и экспериментально, в понимании кинематики ( динамики ) VIV, хотя и в режиме с низким числом Рейнольдса. Основная причина этого заключается в том, что VIV не является малым возмущением, наложенным на среднее устойчивое движение. Это по своей сути нелинейное, самоуправляемое или саморегулируемое явление с множеством степеней свободы. Оно представляет собой нестационарные характеристики потока, проявляющиеся в существовании двух нестационарных слоев сдвига и крупномасштабных структур.
Многое известно и понято, и многое остается в эмпирической/описательной области знаний: какова доминирующая частота отклика , диапазон нормализованной скорости , изменение фазового угла (на который сила опережает смещение ) и амплитуда отклика в диапазоне синхронизации как функция управляющих и влияющих параметров? Промышленные приложения подчеркивают нашу неспособность предсказать динамический отклик взаимодействий жидкости и конструкции. Они по-прежнему требуют ввода синфазных и противофазных компонентов коэффициентов подъемной силы (или поперечной силы), коэффициентов сопротивления по линии, длин корреляции, коэффициентов затухания, относительной шероховатости, сдвига, волн и течений, среди других управляющих и влияющих параметров, и, таким образом, также требуют ввода относительно больших коэффициентов безопасности. Фундаментальные исследования, а также крупномасштабные эксперименты (когда эти результаты будут распространены в открытой литературе) предоставят необходимое понимание для количественной оценки взаимосвязей между откликом конструкции и управляющими и влияющими параметрами.
Невозможно переоценить тот факт, что современное состояние лабораторных исследований касается взаимодействия твердого тела (главным образом и наиболее важного для круглого цилиндра), степени свободы которого были сокращены с шести до зачастую одной (т.е. поперечное движение), с трехмерным отрывным потоком, в котором доминируют крупномасштабные вихревые структуры.
