渦激振動實驗中的流速增大裝置研發與性能研究

姚 宗, 陳 剛, 楊建民, 胡志強, 付世曉

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200030; 2. 交通運輸部上海打撈局，上海 200090)

渦激振動實驗中的流速增大裝置研發與性能研究

姚 宗1, 2, 陳 剛1, 楊建民1, 胡志強1, 付世曉1

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200030; 2. 交通運輸部上海打撈局，上海 200090)

拖曳水池中進行立管渦激振動實驗時，為了保證采樣時間長度，難以達到較高的Re數。流速增大裝置可以在不提高拖車車速的情況下增大立管外的流速。利用這種流速增大裝置還可實現流速分層流場中細長柔性立管渦激振動實驗。經過對流速增大裝置中的進流段曲線進行優選，發現Witozinsky曲線的總體性能最好。在對流速增大裝置進行水池實驗和數值模擬后，發現流速增大區域的流速增大倍數接近進流段收縮比，流速增大區域流場比較穩定、均勻，流速增大裝置對其外的流場影響很小。此流速增大裝置不但可應用于拖曳水池中的立管渦激振動實驗，還可以應用于對流速要求較高的水下航行體的水池試驗，如魚雷、水下機器人等。

拖曳水池；流速增大裝置；渦激振動；立管；收縮比

在拖曳水池中進行細長柔性立管渦激振動實驗時，水池寬度有限，立管模型的長度也相應受到限制。為使立管模型的長細比盡可能接近實際海洋立管，立管模型的直徑則較小。立管渦激振動實驗的采樣時間一般在20 s以上[1-2]，而目前世界上拖曳水池的長度多數在150 m以內，這樣便意味著拖車車速受到制約不能設得很大。較小的直徑、較低的拖車車速，便決定了較低的Re數。目前世界上在拖曳水池中所做的細長柔性立管渦激振動實驗中，一般Re數的數量級在104[3-4]。而墨西哥灣的立管一般經受的Re數為105[5]。如果能在長度不大的拖曳水池中，獲得較長采樣時間長度的同時，又要實現較大的Re數，則需要在不提高拖車車速的情況下來提高立管外的流速。為此，開發能在拖曳水池中使用的流速增大裝置很有必要。

利用流速增大裝置可使某一段長度立管外流場的流速進行增大，而其余立管外流速與拖車車速一致，從而實現流速分層流場中細長柔性立管渦激振動實驗。而實際海洋中的流動沿水深也具有分層的特點[6]。

對于較短的立管, 可以把其整體放置在流速增大裝置內，實現較高Re數渦激振動實驗，而不犧牲數據的采樣時間長度。

利用現有的拖曳水池設施，流速增大裝置的造價比較低。這對于很多水下結構物在高速流動下的性能實驗也是有實用價值的。

1 流速增大裝置的基本概念

固定在拖曳水池拖車上的流速增大裝置由增流體、面板、邊板和尾部穩流板組成。增流體是對稱形的實體結構，其外部表面是柱面。整個表面分成三段，分別為進流段曲面、穩流段平面和出流段曲面。一個流速增大裝置內裝有兩個增流體，兩個增流體也是對稱布置于流速增大裝置內。兩個增流體相對的穩流段平面所夾的區域，便為流速增大區域。流速增大裝置的兩塊面板對稱布置于兩塊增流體的外側，并與增流體穩流段平面平行。面板與增流體間有一定的空間供來流經過。尾部穩流板布置于流速增大裝置的出流口處。增流體、面板和尾部穩流板的兩端由兩塊邊板固定。流速增大裝置的入口處視圖如圖1所示，垂直于拖車橫梁的剖視圖如圖2所示。

圖1 流速增大裝置的入口處視圖Fig. 1 Flow-direction view of flow-accelerating rig

圖2 流速增大裝置的剖視圖Fig. 2 Section view of flow-accelerating rig

由于流速增大裝置內部流場壓力大于外部，從而導致流體從兩塊面板的頭部溢出一部分。這樣，流速增大區域的流速增大倍數稍低于其上限——兩個增流體頭部尖角間距與流速增大區域寬度之比。通過增加面板超出增流體頭部的長度可減少溢出流。

兩個增流體之間的流場和面板與增流體之間的流場是基本對稱的兩個壓力平衡的流場。如果沒有面板，那么當流體進入流速增大區域后遇到空間收縮，壓力增大，會導致大量流體外溢出增流體入口，流速增大區域內的流速反而沒有明顯的增大效果。面板與增流體的距離一般小于流速增大區域寬度的一半。適當減小面板與增流體的距離，可擠壓流體更多的進入流速增大區域，這樣可使得流速增大區域的流速更大一點。但是如果面板與增流體的距離過小會導致流體從兩個面板入口端部外溢，產生負作用。尾部穩流板的作用是避免流體在增流體后形成漩渦或振蕩流動。

兩個增流體前部進流段曲面和后部出流段曲面對流速增大區域流速增大的倍數、流場的質量和流速增大裝置的阻力都有影響。下面將研究這兩段面的選型問題。

2 進流段曲面和出流段曲面的優選

進流段曲面和出流段曲面是由平面內二維曲線往平面法向平移得到的柱面。進流段曲面和出流段曲面的優選問題則可轉化為相應的二維曲線優選問題。原先的三維流動問題即可轉化為流速增大裝置縱剖面內的二維流動問題。為進一步簡化優選問題，在優選時，認為出流段曲面與進流段曲面對稱。面板超出增流體前后端的部分也對稱。現把形成進流段曲面的二維曲線標定在xy坐標平面內，并簡稱為進流段曲線，如圖3所示。

圖3 xy坐標平面內的進流段曲線Fig. 3 Curve of incoming flow area in xy coordinate plane

在圖3中，x軸與流速增大裝置的中縱軸線重合，y軸經過增流體的前端點。

2.1進流段曲線方程

目前在水洞(或風洞)收縮段設計時，常用的收縮曲線有Witozinsky曲線、不同拐點位置的五次曲線和雙三次曲線[7-10]。這里把這幾種曲線作為流速增大裝置進流段曲線選優時的曲線庫。根據圖3中的坐標系以及標示參數，下面給出這幾種曲線的方程。

1)Witozinsky曲線(簡稱維氏曲線)

2)雙三次曲線

3)不同拐點(xi)位置的五次曲線

① 拐點位置為0.4的五次曲線

② 拐點位置為0.5的五次曲線

2.2優選過程

將對進流段曲線為上述六條曲線的流速增大裝置分別用數值方法考查相互間性能的優劣。流速增大裝置的長度為4.05 m，高度為2.016 m。進流段的入口寬度為1.008 m，長度為1.008 m。流速增大區域的入口寬度為0.648 m，長度為0.9 m。面板與增流體的距離為0.324 m。面板端點超出增流體端點的距離為0.567 m。六條進流段曲線的收縮比都為1.556，形狀走勢如圖4所示。

圖4 六條進流段曲線的形狀比較(L為進流段長度)Fig. 4 Trend of 6 curves of incoming flow area(L is the length of incoming flow area)

由于流經流速增大裝置的水流基本為二維變化，故在對進流段曲線為上述六條曲線的流速增大裝置進行數值建模時，只根據流速增大裝置的縱剖面，建立了二維的數值計算模型。整個二維流體為狹長的管道流。管道長度為流速增大裝置長度的10倍，寬度為流速增大裝置長度的6倍。流速增大裝置放置在管道的中部。所用計算軟件為Fluent，湍流模式為k-ω系列模型。計算區域前端速度入口的速度取較大和較小的兩種情況，分別為2.5 m/s和1.0 m/s，方向與x軸平行,入口流體的湍流強度都為0.1%。

在所有工況計算完成后，考查每條進流段曲線的性能優劣。進流段曲線的性能主要體現在流速增大區域流場的流速增大情況以及均勻性。為進行量化考查，建立了七個描述進流段曲線性能的參數。這七個參數的定義如表1所示。

表1 進流段曲線性能優劣參數Tab. 1 Performance parameters of curves of incoming flow area

各個參數反映地是曲線性能的一個方面，為了得到以上各條曲線的總體性能優劣，給出以下公式進行衡量，值越大則總體性能越好。

式中：a1,……,a7為各性能參數的權重。七個參數權重的和為1，各個值的大小可根據具體實驗要求來選取。文中所取的值為{0.37,0.14,0.08,0.08,0.14,0.14,0.05}。

b1,……,b7各系數的取值方法如下：

d值將保證Δ值為適當大小的正值而設定的一個定值，文中設為10。

經過計算，可得到各條進流段曲線在流速增大裝置入口流速為2.5 m/s和1.0 m/s時的相應Δ值。圖5和圖6分別是流速增大裝置入口流速為2.5 m/s和1.0 m/s時各根曲線的Δ值。由圖5和圖6可知，不管入口流速高還是低，維氏曲線的總體性能都是最好的。

圖5 入口流速為2.5 m/s時各根曲線Δ值柱狀圖Fig. 5 Δ value histogram of each curve when velocity of incident flow is 2.5 m/s

圖6 入口流速為1.0 m/s時各根曲線Δ值柱狀圖Fig. 6 Δ value histogram of each curve when velocity of incident flow is 1.0 m/s

3 水池實驗

為了測試流速增大裝置在實際應用時的性能，在船模拖曳水池中對流速增大裝置進行了水池實驗。

3.1實驗設施

流速增大裝置的水池實驗是在江蘇科技大學的船模拖曳水池中完成的。該船模拖曳水池尺寸為100 m×5.5 m×2.0 m(長×寬×深)。

進行實驗的流速增大裝置的進流段曲線為維氏曲線。出流段曲線也為維氏曲線，曲線的走向與進流段曲線是相反的，曲線的收縮比與進流段曲線一樣，但曲線的長度大于進流段。流速增大裝置的出流口處布置有6片尾部穩流板。

表2給出了流速增大裝置的主要參數。這些參數的說明見圖1、圖2和圖3。

表2 流速增大裝置的主要參數Tab. 2 Main properties of flow-accelerating rig

流速增大裝置由專門設計的支架固定在拖車橫梁上。固定在拖車上的流速增大裝置見圖7所示。圖7的視角為流速增大裝置的尾部。圖中的流速增大裝置還未完全浸沒在水中，實驗時流速增大裝置上面板距水面20 cm。

圖7 固定在拖車上的流速增大裝置Fig. 7 Flow-accelerating rig fixed in cabin

3.2實驗儀器及工況

本實驗使用了一個挪威Nortek公司生產的Vectrino聲學多普勒流速儀對流速增大區域的流速進行測量。流速儀測量點在流速增大區域的入口處，與流速增大裝置邊板的距離為71 cm。

流速增大裝置水池實驗的具體工況如表3所示。

表3 流速增大裝置水池實驗的工況Tab. 3 Experimental conditions of flow accelerating rig in towing tank

在實驗中，所有工況中流速穩定段的采樣時間都在20 s以上。

4 三維數值實驗

通過流速增大裝置的水池實驗只能了解到流速增大區域離散點的流速增大情況，難以掌握整個流速增大區域以及流速增大裝置外的流場情況。為此，對流速增大裝置進行了三維數值實驗。

4.1數值模型的建立

流速增大裝置數值實驗的網格模型在GAMBIT中建立。流速增大裝置的各部分尺寸與水池實驗時的一樣。由于流速增大裝置的對稱性，流體計算區域按對稱面建了一半。流體區域的入口邊界與流速增大裝置的距離為流速增大裝置長度L的1.5倍。流體區域的上邊界定義為固壁，與流速增大裝置上面板的距離為流速增大裝置高度H的2.54倍。流體區域的左右邊界定義為固壁，與流速增大裝置左右邊板的距離都為流速增大裝置寬度W的0.7倍。流體區域的出口邊界定義為壓力出口端，與流速增大裝置出口端的距離為流速增大裝置長度L的3倍。為提高計算的準確性，流速增大裝置的面板表面、增流體表面和尾部穩流板表面都建立了邊界層，邊界層中第一層網格的厚度為1 mm。流體計算區域長20.8 m、高4.3 m、寬2.6 m，網格單元數為130萬。整個流體區域網格模型如圖8所示。

圖8 數值實驗流體區域三維網格圖Fig. 8 Three-dimensional mesh in flow field of numerical test

4.2計算條件及計算工況

用Fluent 3D求解器讀入在GAMBIT中導出的網格文件，并進行計算條件的設置。文中所進行的流速增大裝置數值實驗選用3D定常流求解器。湍流模式為k-ω系列模型，近壁函數為SSTk-ω近壁模型，流體為液態水。

數值實驗工況與水池實驗工況一樣。所有數值實驗工況中，入口邊界條件中的湍流密度取為0.1%，湍流黏性比取為1。每個數值實驗工況的模擬時間是10 min，時間步長為0.000 1 s。

5 結果及分析

5.1流速增大區域的流速增大情況

根據流速增大裝置的水池實驗和數值實驗結果，可以得到流速增大區域的流速增大情況，如圖9所示。圖中，實驗值和計算值都是聲學多普勒流速儀測量點在各工況中的流速增大倍數，縱軸a表示流速測量點處的流速與流速增大裝置外來流流速的比值。

圖9 流速增大倍數隨流速增大裝置外來流流速的變化Fig. 9 Multiple of increased flow velocity vs velocity of incident flow outside flow-accelerating rig

由圖9可見，水池實驗和數值實驗的結果都顯示，流速增大區域內流速有明顯的增大。實驗曲線數值稍低于數值曲線，但兩條曲線的走勢基本一樣。在車速較低時，流速增大的倍數比較低，但在車速稍高后，流速增大倍數很快接近1.5，并且比較穩定。由于進流段的收縮比為1.6，說明有少量的流體從流速增大裝置入口處溢出。

5.2流速增大區域流場的均勻性

分析數值實驗結果，可以得到整個流速增大區域流場的均勻性情況。

鑒于文章篇幅，只給出來流流速為2.5 m/s工況的斷面流速大小云圖，以直觀考查流速增大裝置內部流場和外部流場的情況，如圖10和圖11所示。

圖10 流體增大裝置中部xy剖面流速大小云圖Fig. 10 Flow velocity cloud picture of xy profile in the midle of flow-accelerating rig

圖11 流體增大裝置中部yz剖面流速大小云圖Fig. 11 Flow velocity cloud picture of yz profile in the midle of flow-accelerating rig

由圖10可見，流速增大區域流場在xy剖面內大小分布均勻，流速增大明顯。流速增大裝置的面板前緣處有一定的溢出流，但對上下面板外流場的擾動基本可忽略。流速增大裝置后部有細長的尾跡，但尾跡呈直線型，對整個流場的擾動不大。由圖11可知，流速增大區域的流場在yz剖面內大小分布均勻，流速增大明顯。流速增大裝置邊板外流場基本沒有受到擾動。

表4 流速增大區域入口截面流場重要參數統計Tab. 4 Important properties of fore cross section area of accelerated flow field

6 結 語

1)文中所提出的拖曳水池中流速增大裝置可以起到流速增大的作用。流速增大裝置的進流段曲線形狀對流速增大區域的流場品質(如湍流度、流動均勻性等)起到決定性作用。經過對水洞(或風洞)收縮段常用曲線進行優選，發現Witozinsky曲線作為進流段曲線的總體性能最好。

2)水池實驗和數值實驗的結果都表明，流速增大區域的流速增大倍數達到進流段收縮比的90%以上，且裝置外來流流速越高，裝置內流速增大的倍數也會有一定的提高。

3)整個流速增大區域的流場在方向上基本與對稱面平行，在大小上較為均勻。流速增大裝置對其上下左右流場的擾動基本可忽略。流速增大裝置的尾跡呈細長直線型，對其后部流場的擾動不大。

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Invention and performance research of flow-accelerating apparatus applied in VIV test

YAO Zong1, 2, CHEN Gang1, YANG Jianmin1, HU Zhiqiang1, FU Shixiao1

(1. State Key Lab. of Ocean Eng., Shanghai Jiao Tong Univ., Shanghai 200030, China; 2. Shanghai Salvage Company of Ministry of Transport, Shanghai 200090, China)

When doing an experiment of VIV of a riser in towing tank, it is difficult to get high Re number in order to keep long sampling time. The flow-accelerating apparatus can accelerate the flow around riser not by increasing the velocity of carriage. An experiment of VIV of a long flexible riser in a stepped current can also be accomplished by using this flow-accelerating apparatus. After doing some performance researches, it is found that the Witozinsky curve is the optimal curve of incoming flow area as compared to other curves. After doing towing tank experiment and numerical experiment of the flow-accelerating apparatus, it is observed that the multiple of increased velocity of accelerated flow is close to the contraction ratio of incoming flow area, the accelerated flow field is steady and uniform in high level and the flow field out of the apparatus is hardly influenced. The apparatus can be applied not only in VIV test of a riser in towing tank, but also in many tests of equipment which require high current velocity, such as torpedo, ROV and so on.

towing tank; flow-accelerating rig; vortex induced vibration; riser; shrinkage ratio

1005-9865(2017)06-0001-09

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.001

2017-01-03

工業和信息化部“第七代超深水鉆井平臺(船)”創新專項經費資助

姚 宗(1982-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事船舶與海洋工程水動力性能研究。E-mail：yz@coes.cn

楊建民。E-mail：jmyang@sjtu.edu.cn