渦激振動分析的案例
橋梁箱梁渦激振動（渦振）仿真 ￥245
幾何模型與流體域：
幾何模型取用的知網(wǎng)某論文，網(wǎng)格全四邊形，計算精度高，用的層疊網(wǎng)格。
udf導(dǎo)入：2dof，龍格庫塔法
監(jiān)測：x、y向位移，三分力系數(shù)等
結(jié)果：速度云圖
結(jié)果：位移時程曲線
分享：渦激振動VIV
對于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動，這種規(guī)律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問題被稱作“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。
在處理渦激振動問題時，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的動力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個問題的重要關(guān)鍵。在渦激振動過程中，流體的動壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動的位移、速度和加速度;另一方面，
流體動壓力的作用又會改變彈性系統(tǒng)振動的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。
由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場的流動特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實驗或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。實驗證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來表示，表達式為：
f=St*V/D
St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。
其中：V為垂直于構(gòu)件軸線的速度（m/s）；
D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；
T為相關(guān)的特征時間（s）。
目前，主要的研究方法有三種：
1，實驗方法
瀉渦脫落引發(fā)的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的復(fù)雜過程。
展開 渦激振動來源與趣談
人類正試圖利用渦激振動來進行風(fēng)力發(fā)電機。如若成功，不需要齒輪傳動裝置的風(fēng)力發(fā)電機，可以大大節(jié)約生產(chǎn)制及維護成本。因為可以直接利用風(fēng)對高大鈍體產(chǎn)生的渦激振動，利用振動產(chǎn)生的機械能發(fā)電。
別為“渦激振動”這點事兒擔(dān)心
這個“渦激振動”究竟是個什么鬼？！
其實，“渦激振動”算不上什么鬼，它與后來風(fēng)機的運行也沒有什么關(guān)系。
舉個例子，把一根蘆葦桿插入水流，水流經(jīng)過它之后會產(chǎn)生渦旋，葦桿隨之晃動，而且葦桿越高晃動越厲害，這種自然現(xiàn)象就是“渦激振動”。
這是為什么呢？學(xué)術(shù)點解釋，一定條件下的穩(wěn)定來流繞過規(guī)則物體時，物體兩側(cè)會周期性地產(chǎn)生脫離其表面的渦旋，也就是所謂的邊界層脫離，這種流體與物體相互作用的現(xiàn)象被稱作“渦激振動”。換句話說，只要發(fā)生邊界層脫離，就可能出現(xiàn)“渦激振動”，只是流體繞流圓柱體這類規(guī)則物體時產(chǎn)生的“渦激振動”現(xiàn)象會更明顯。
具體到塔筒上，其實低塔筒也有“渦激振動”，只不過同樣的來流情景下沒有高塔筒明顯而已，但風(fēng)速條件一旦具備，它肯定會振動給你看的。為什么有經(jīng)驗的師傅在實施普通塔筒吊裝作業(yè)過程中，一旦遇到空塔筒過夜情況，總是將吊車的吊鉤鉤住塔筒，就是避免夜里很長時間內(nèi)可能的大風(fēng)和塔筒產(chǎn)生“渦激振動”。
為什么“渦激振動”在高低塔筒上的表現(xiàn)會有那么大反差呢？
原因在于低塔筒頻率高，來流所產(chǎn)生的脈動推力和塔筒產(chǎn)生共振的幾率比較低，所以在一般允許吊裝條件的風(fēng)速下，這種振動完全可以忽略不計，但高塔筒的情景就不同了，由于塔筒增高而其頻率降低了，同樣來流的脈動推力和高塔筒產(chǎn)生共振的幾率變高，所以高塔筒的“晃動”就惹人眼球了。
善意提醒的是，“渦激共振”的現(xiàn)象僅會出現(xiàn)在機艙風(fēng)輪沒有安裝的階段，因為在風(fēng)輪安裝后，就沒有“渦激振動”產(chǎn)生的前提條件了。當(dāng)然，在吊裝階段消除“渦激共振”并不是問題，國內(nèi)外早有成熟的解決方案。為讓你別擔(dān)心“渦激振動”這件事，介紹幾種消除渦激共振的方案。
展開 
橋梁渦激振動問題的ABAQUS數(shù)值模擬
圖6 橋梁渦激振動的計算結(jié)果
圖7 橋梁上下某兩個對稱點的速度演變
5. 優(yōu)化設(shè)計
在橋梁設(shè)計時，可通過橋梁氣動外形修型，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)阻尼等方法避免和減緩在設(shè)計工況下的橋梁的風(fēng)致振動。下面以一種優(yōu)化后的橋梁橫截面為例，計算優(yōu)化后的模擬結(jié)果。
圖8 某懸索橋梁的優(yōu)化橫截面
在相同條件下的渦激振動計算結(jié)果如圖9所示，同樣的，在橋梁上下選擇兩個對稱點測量速度隨著時間的變化如圖10所示。
圖9 優(yōu)化后橋梁渦激振動的計算結(jié)果
圖10 優(yōu)化后橋梁上下某兩個對稱點的速度演變
6. 結(jié)論
（1）ABAQUS CFD模塊能有效地模擬橋梁渦激振動；
（2）ABAQUS數(shù)值模擬可以計算強風(fēng)作用下橋梁周圍的空氣動力學(xué)特征；
（3）優(yōu)化后的橋梁橫截面減弱了渦激振動現(xiàn)象，能為實際工程提供參考。
圖11 優(yōu)化前后橋梁周圍的空氣動力學(xué)特征
7. 計算配置
處理器：Intel(R) Core(TM) i7-9700K CPU @ 3.60GHz
內(nèi)存：32G
計算時間：5H
8. 參考資料
維基百科卡門渦街詞條: en.wikipedia.org
任少鐸. 卡門渦街的成因及虎門大橋的振動分析[J]. 物理教師, 2020, 41(09): 57-59+61.
張偉偉, 豆子皓, 李新濤, 高傳強. 橋梁若干流致振動與卡門渦街[J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報, 2020, 38(03): 405-412.
Abaqus分析模型.zip
橋梁渦激振動問題的ABAQUS數(shù)值模擬-iCPFEM.pptx
卡門渦街的成因及虎門大橋的振動分析_任少鐸.pdf
橋梁若干流致振動與卡門渦街_張偉偉.pdf
展開 CFX二自由度渦激振動模擬分析。
哪家ABAQUS流固耦合課程權(quán)威？首選技術(shù)鄰，實力鑄就專業(yè)
三、權(quán)威保障：覆蓋全技術(shù)方案，適配多行業(yè)需求
流固耦合場景復(fù)雜，不同行業(yè)、不同問題需要不同技術(shù)方案 —— 技術(shù)鄰課程全面覆蓋 ABAQUS 流固耦合 3 大類核心技術(shù)，確保對各類工程問題的“權(quán)威性解決能力”：
技術(shù)方案
適用場景
權(quán)威保障亮點
本地耦合（基于 ABAQUS/CFD）
基礎(chǔ)流固耦合分析（如共軛傳熱），需適配 6.10-2016 版本
針對版本限制提供專屬操作技巧，搭配實際案例演示，確保低版本軟件也能高效完成分析
多物理場（基于 CEL/SPH/ALE）
高速流體沖擊、彈體入水、波浪船體耦合等復(fù)雜場景
拆解網(wǎng)格劃分、自由表面處理、邊界條件優(yōu)化等核心難點，提供航天級項目的建模思路
協(xié)同仿真（基于 MpCCI/CSE）
大型風(fēng)場分析、橋梁渦激振動、跨軟件聯(lián)合仿真（如對接 STAR-CCM+/Fluent）
詳解 MpCCI 平臺操作、CSE 接口調(diào)用，結(jié)合 “虎門大橋渦激振動” 等標桿項目，傳授協(xié)同仿真的工程化方法
綜上，技術(shù)鄰 ABAQUS 流固耦合課程的權(quán)威，不是靠宣傳，而是靠 “能解決實際問題、能教會核心技能、能保障長期效果” 的硬實力。無論你是高校科研人員、企業(yè)工程師，還是需要突破技術(shù)瓶頸的 CAE 從業(yè)者，選擇技術(shù)鄰，就是選擇 “專業(yè)、可靠、能落地” 的權(quán)威培訓(xùn)。
展開 減少渦流脫落：使用 CFD 模擬和分析振蕩流型
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點
渦旋脫落及其影響
共振頻率和渦激振動在故障分析中的作用
使用 CFD 工具分析渦旋脫落行為
旋渦脫落模擬示例
由于速度差異形成渦流，導(dǎo)致流體呈螺旋狀運動。您可能已經(jīng)在盆地中以龍卷風(fēng)或漩渦的形式觀察到這種現(xiàn)象。在空氣動力學(xué)中，空氣在穿過機翼時會形成類似的模式。對于流過管道的水，在流體動力學(xué)中也存在類似的現(xiàn)象。
當(dāng)流體流過阻流體并在其后面形成渦流時，就會發(fā)生渦流脫落。流動的性質(zhì)會導(dǎo)致流體不規(guī)則分離并引起物體振動，從而導(dǎo)致故障。因此，減少渦流脫落很重要。使用 CFD 工具，可以模擬渦流脫落、分析其行為并相應(yīng)地優(yōu)化設(shè)計。
了解渦流脫落
為了解釋這種現(xiàn)象，已經(jīng)進行了多項研究來分析工業(yè)煙囪等結(jié)構(gòu)在風(fēng)流過時的行為。當(dāng)由鋼制成的塔或煙囪等高大結(jié)構(gòu)遇到以相當(dāng)大的速度吹來的風(fēng)時，結(jié)構(gòu)的下側(cè)會形成低壓區(qū)。當(dāng)風(fēng)流繼續(xù)超出結(jié)構(gòu)屏障時會發(fā)生渦流脫落，從而產(chǎn)生振動效果。這種振動可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴重損壞和故障。
同樣的概念也適用于管流，其中熱電偶套管或接頭（T 型接頭或角接頭）等組件充當(dāng)鈍體。這是流動路徑改變的地方，導(dǎo)致渦流脫落。當(dāng)渦旋脫落的頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相匹配時，很可能發(fā)生振動和失效。
渦流脫落導(dǎo)致管道系統(tǒng)疲勞
連續(xù)振蕩或渦激振動 (VIV)會使管道系統(tǒng)容易出現(xiàn)多個應(yīng)力循環(huán)。隨著疲勞因應(yīng)力而累積，可能會出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。考慮到在雷諾數(shù)范圍很廣時可能發(fā)生渦旋脫落，確定故障何時發(fā)生可能很困難。
然而，可以確定渦旋脫落發(fā)生的頻率。該值取決于斯特勞哈爾數(shù)——描述流體流動振蕩機制的因素。
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