涡激振动实验中的流速增大装置研发与性能研究

姚 宗, 陈 刚, 杨建民, 胡志强, 付世晓

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200030; 2. 交通运输部上海打捞局，上海 200090)

涡激振动实验中的流速增大装置研发与性能研究

姚 宗1, 2, 陈 刚1, 杨建民1, 胡志强1, 付世晓1

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200030; 2. 交通运输部上海打捞局，上海 200090)

拖曳水池中进行立管涡激振动实验时，为了保证采样时间长度，难以达到较高的Re数。流速增大装置可以在不提高拖车车速的情况下增大立管外的流速。利用这种流速增大装置还可实现流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验。经过对流速增大装置中的进流段曲线进行优选，发现Witozinsky曲线的总体性能最好。在对流速增大装置进行水池实验和数值模拟后，发现流速增大区域的流速增大倍数接近进流段收缩比，流速增大区域流场比较稳定、均匀，流速增大装置对其外的流场影响很小。此流速增大装置不但可应用于拖曳水池中的立管涡激振动实验，还可以应用于对流速要求较高的水下航行体的水池试验，如鱼雷、水下机器人等。

拖曳水池；流速增大装置；涡激振动；立管；收缩比

在拖曳水池中进行细长柔性立管涡激振动实验时，水池宽度有限，立管模型的长度也相应受到限制。为使立管模型的长细比尽可能接近实际海洋立管，立管模型的直径则较小。立管涡激振动实验的采样时间一般在20 s以上[1-2]，而目前世界上拖曳水池的长度多数在150 m以内，这样便意味着拖车车速受到制约不能设得很大。较小的直径、较低的拖车车速，便决定了较低的Re数。目前世界上在拖曳水池中所做的细长柔性立管涡激振动实验中，一般Re数的数量级在104[3-4]。而墨西哥湾的立管一般经受的Re数为105[5]。如果能在长度不大的拖曳水池中，获得较长采样时间长度的同时，又要实现较大的Re数，则需要在不提高拖车车速的情况下来提高立管外的流速。为此，开发能在拖曳水池中使用的流速增大装置很有必要。

利用流速增大装置可使某一段长度立管外流场的流速进行增大，而其余立管外流速与拖车车速一致，从而实现流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验。而实际海洋中的流动沿水深也具有分层的特点[6]。

对于较短的立管, 可以把其整体放置在流速增大装置内，实现较高Re数涡激振动实验，而不牺牲数据的采样时间长度。

利用现有的拖曳水池设施，流速增大装置的造价比较低。这对于很多水下结构物在高速流动下的性能实验也是有实用价值的。

1 流速增大装置的基本概念

固定在拖曳水池拖车上的流速增大装置由增流体、面板、边板和尾部稳流板组成。增流体是对称形的实体结构，其外部表面是柱面。整个表面分成三段，分别为进流段曲面、稳流段平面和出流段曲面。一个流速增大装置内装有两个增流体，两个增流体也是对称布置于流速增大装置内。两个增流体相对的稳流段平面所夹的区域，便为流速增大区域。流速增大装置的两块面板对称布置于两块增流体的外侧，并与增流体稳流段平面平行。面板与增流体间有一定的空间供来流经过。尾部稳流板布置于流速增大装置的出流口处。增流体、面板和尾部稳流板的两端由两块边板固定。流速增大装置的入口处视图如图1所示，垂直于拖车横梁的剖视图如图2所示。

图1 流速增大装置的入口处视图Fig. 1 Flow-direction view of flow-accelerating rig

图2 流速增大装置的剖视图Fig. 2 Section view of flow-accelerating rig

由于流速增大装置内部流场压力大于外部，从而导致流体从两块面板的头部溢出一部分。这样，流速增大区域的流速增大倍数稍低于其上限——两个增流体头部尖角间距与流速增大区域宽度之比。通过增加面板超出增流体头部的长度可减少溢出流。

两个增流体之间的流场和面板与增流体之间的流场是基本对称的两个压力平衡的流场。如果没有面板，那么当流体进入流速增大区域后遇到空间收缩，压力增大，会导致大量流体外溢出增流体入口，流速增大区域内的流速反而没有明显的增大效果。面板与增流体的距离一般小于流速增大区域宽度的一半。适当减小面板与增流体的距离，可挤压流体更多的进入流速增大区域，这样可使得流速增大区域的流速更大一点。但是如果面板与增流体的距离过小会导致流体从两个面板入口端部外溢，产生负作用。尾部稳流板的作用是避免流体在增流体后形成漩涡或振荡流动。

两个增流体前部进流段曲面和后部出流段曲面对流速增大区域流速增大的倍数、流场的质量和流速增大装置的阻力都有影响。下面将研究这两段面的选型问题。

2 进流段曲面和出流段曲面的优选

进流段曲面和出流段曲面是由平面内二维曲线往平面法向平移得到的柱面。进流段曲面和出流段曲面的优选问题则可转化为相应的二维曲线优选问题。原先的三维流动问题即可转化为流速增大装置纵剖面内的二维流动问题。为进一步简化优选问题，在优选时，认为出流段曲面与进流段曲面对称。面板超出增流体前后端的部分也对称。现把形成进流段曲面的二维曲线标定在xy坐标平面内，并简称为进流段曲线，如图3所示。

图3 xy坐标平面内的进流段曲线Fig. 3 Curve of incoming flow area in xy coordinate plane

在图3中，x轴与流速增大装置的中纵轴线重合，y轴经过增流体的前端点。

2.1进流段曲线方程

目前在水洞(或风洞)收缩段设计时，常用的收缩曲线有Witozinsky曲线、不同拐点位置的五次曲线和双三次曲线[7-10]。这里把这几种曲线作为流速增大装置进流段曲线选优时的曲线库。根据图3中的坐标系以及标示参数，下面给出这几种曲线的方程。

1)Witozinsky曲线(简称维氏曲线)

2)双三次曲线

3)不同拐点(xi)位置的五次曲线

① 拐点位置为0.4的五次曲线

② 拐点位置为0.5的五次曲线

2.2优选过程

将对进流段曲线为上述六条曲线的流速增大装置分别用数值方法考查相互间性能的优劣。流速增大装置的长度为4.05 m，高度为2.016 m。进流段的入口宽度为1.008 m，长度为1.008 m。流速增大区域的入口宽度为0.648 m，长度为0.9 m。面板与增流体的距离为0.324 m。面板端点超出增流体端点的距离为0.567 m。六条进流段曲线的收缩比都为1.556，形状走势如图4所示。

图4 六条进流段曲线的形状比较(L为进流段长度)Fig. 4 Trend of 6 curves of incoming flow area(L is the length of incoming flow area)

由于流经流速增大装置的水流基本为二维变化，故在对进流段曲线为上述六条曲线的流速增大装置进行数值建模时，只根据流速增大装置的纵剖面，建立了二维的数值计算模型。整个二维流体为狭长的管道流。管道长度为流速增大装置长度的10倍，宽度为流速增大装置长度的6倍。流速增大装置放置在管道的中部。所用计算软件为Fluent，湍流模式为k-ω系列模型。计算区域前端速度入口的速度取较大和较小的两种情况，分别为2.5 m/s和1.0 m/s，方向与x轴平行,入口流体的湍流强度都为0.1%。

在所有工况计算完成后，考查每条进流段曲线的性能优劣。进流段曲线的性能主要体现在流速增大区域流场的流速增大情况以及均匀性。为进行量化考查，建立了七个描述进流段曲线性能的参数。这七个参数的定义如表1所示。

表1 进流段曲线性能优劣参数Tab. 1 Performance parameters of curves of incoming flow area

各个参数反映地是曲线性能的一个方面，为了得到以上各条曲线的总体性能优劣，给出以下公式进行衡量，值越大则总体性能越好。

式中：a1,……,a7为各性能参数的权重。七个参数权重的和为1，各个值的大小可根据具体实验要求来选取。文中所取的值为{0.37,0.14,0.08,0.08,0.14,0.14,0.05}。

b1,……,b7各系数的取值方法如下：

d值将保证Δ值为适当大小的正值而设定的一个定值，文中设为10。

经过计算，可得到各条进流段曲线在流速增大装置入口流速为2.5 m/s和1.0 m/s时的相应Δ值。图5和图6分别是流速增大装置入口流速为2.5 m/s和1.0 m/s时各根曲线的Δ值。由图5和图6可知，不管入口流速高还是低，维氏曲线的总体性能都是最好的。

图5 入口流速为2.5 m/s时各根曲线Δ值柱状图Fig. 5 Δ value histogram of each curve when velocity of incident flow is 2.5 m/s

图6 入口流速为1.0 m/s时各根曲线Δ值柱状图Fig. 6 Δ value histogram of each curve when velocity of incident flow is 1.0 m/s

3 水池实验

为了测试流速增大装置在实际应用时的性能，在船模拖曳水池中对流速增大装置进行了水池实验。

3.1实验设施

流速增大装置的水池实验是在江苏科技大学的船模拖曳水池中完成的。该船模拖曳水池尺寸为100 m×5.5 m×2.0 m(长×宽×深)。

进行实验的流速增大装置的进流段曲线为维氏曲线。出流段曲线也为维氏曲线，曲线的走向与进流段曲线是相反的，曲线的收缩比与进流段曲线一样，但曲线的长度大于进流段。流速增大装置的出流口处布置有6片尾部稳流板。

表2给出了流速增大装置的主要参数。这些参数的说明见图1、图2和图3。

表2 流速增大装置的主要参数Tab. 2 Main properties of flow-accelerating rig

流速增大装置由专门设计的支架固定在拖车横梁上。固定在拖车上的流速增大装置见图7所示。图7的视角为流速增大装置的尾部。图中的流速增大装置还未完全浸没在水中，实验时流速增大装置上面板距水面20 cm。

图7 固定在拖车上的流速增大装置Fig. 7 Flow-accelerating rig fixed in cabin

3.2实验仪器及工况

本实验使用了一个挪威Nortek公司生产的Vectrino声学多普勒流速仪对流速增大区域的流速进行测量。流速仪测量点在流速增大区域的入口处，与流速增大装置边板的距离为71 cm。

流速增大装置水池实验的具体工况如表3所示。

表3 流速增大装置水池实验的工况Tab. 3 Experimental conditions of flow accelerating rig in towing tank

在实验中，所有工况中流速稳定段的采样时间都在20 s以上。

4 三维数值实验

通过流速增大装置的水池实验只能了解到流速增大区域离散点的流速增大情况，难以掌握整个流速增大区域以及流速增大装置外的流场情况。为此，对流速增大装置进行了三维数值实验。

4.1数值模型的建立

流速增大装置数值实验的网格模型在GAMBIT中建立。流速增大装置的各部分尺寸与水池实验时的一样。由于流速增大装置的对称性，流体计算区域按对称面建了一半。流体区域的入口边界与流速增大装置的距离为流速增大装置长度L的1.5倍。流体区域的上边界定义为固壁，与流速增大装置上面板的距离为流速增大装置高度H的2.54倍。流体区域的左右边界定义为固壁，与流速增大装置左右边板的距离都为流速增大装置宽度W的0.7倍。流体区域的出口边界定义为压力出口端，与流速增大装置出口端的距离为流速增大装置长度L的3倍。为提高计算的准确性，流速增大装置的面板表面、增流体表面和尾部稳流板表面都建立了边界层，边界层中第一层网格的厚度为1 mm。流体计算区域长20.8 m、高4.3 m、宽2.6 m，网格单元数为130万。整个流体区域网格模型如图8所示。

图8 数值实验流体区域三维网格图Fig. 8 Three-dimensional mesh in flow field of numerical test

4.2计算条件及计算工况

用Fluent 3D求解器读入在GAMBIT中导出的网格文件，并进行计算条件的设置。文中所进行的流速增大装置数值实验选用3D定常流求解器。湍流模式为k-ω系列模型，近壁函数为SSTk-ω近壁模型，流体为液态水。

数值实验工况与水池实验工况一样。所有数值实验工况中，入口边界条件中的湍流密度取为0.1%，湍流黏性比取为1。每个数值实验工况的模拟时间是10 min，时间步长为0.000 1 s。

5 结果及分析

5.1流速增大区域的流速增大情况

根据流速增大装置的水池实验和数值实验结果，可以得到流速增大区域的流速增大情况，如图9所示。图中，实验值和计算值都是声学多普勒流速仪测量点在各工况中的流速增大倍数，纵轴a表示流速测量点处的流速与流速增大装置外来流流速的比值。

图9 流速增大倍数随流速增大装置外来流流速的变化Fig. 9 Multiple of increased flow velocity vs velocity of incident flow outside flow-accelerating rig

由图9可见，水池实验和数值实验的结果都显示，流速增大区域内流速有明显的增大。实验曲线数值稍低于数值曲线，但两条曲线的走势基本一样。在车速较低时，流速增大的倍数比较低，但在车速稍高后，流速增大倍数很快接近1.5，并且比较稳定。由于进流段的收缩比为1.6，说明有少量的流体从流速增大装置入口处溢出。

5.2流速增大区域流场的均匀性

分析数值实验结果，可以得到整个流速增大区域流场的均匀性情况。

鉴于文章篇幅，只给出来流流速为2.5 m/s工况的断面流速大小云图，以直观考查流速增大装置内部流场和外部流场的情况，如图10和图11所示。

图10 流体增大装置中部xy剖面流速大小云图Fig. 10 Flow velocity cloud picture of xy profile in the midle of flow-accelerating rig

图11 流体增大装置中部yz剖面流速大小云图Fig. 11 Flow velocity cloud picture of yz profile in the midle of flow-accelerating rig

由图10可见，流速增大区域流场在xy剖面内大小分布均匀，流速增大明显。流速增大装置的面板前缘处有一定的溢出流，但对上下面板外流场的扰动基本可忽略。流速增大装置后部有细长的尾迹，但尾迹呈直线型，对整个流场的扰动不大。由图11可知，流速增大区域的流场在yz剖面内大小分布均匀，流速增大明显。流速增大装置边板外流场基本没有受到扰动。

表4 流速增大区域入口截面流场重要参数统计Tab. 4 Important properties of fore cross section area of accelerated flow field

6 结 语

1)文中所提出的拖曳水池中流速增大装置可以起到流速增大的作用。流速增大装置的进流段曲线形状对流速增大区域的流场品质(如湍流度、流动均匀性等)起到决定性作用。经过对水洞(或风洞)收缩段常用曲线进行优选，发现Witozinsky曲线作为进流段曲线的总体性能最好。

2)水池实验和数值实验的结果都表明，流速增大区域的流速增大倍数达到进流段收缩比的90%以上，且装置外来流流速越高，装置内流速增大的倍数也会有一定的提高。

3)整个流速增大区域的流场在方向上基本与对称面平行，在大小上较为均匀。流速增大装置对其上下左右流场的扰动基本可忽略。流速增大装置的尾迹呈细长直线型，对其后部流场的扰动不大。

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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

工业和信息化部“第七代超深水钻井平台(船)”创新专项经费资助

姚 宗(1982-)，男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋工程水动力性能研究。E-mail：yz@coes.cn

杨建民。E-mail：jmyang@sjtu.edu.cn