姚 宗, 陳 剛, 楊建民, 胡志強(qiáng), 付世曉

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030; 2. 交通運(yùn)輸部上海打撈局，上海 200090)

渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的流速增大裝置研發(fā)與性能研究

姚 宗1, 2, 陳 剛1, 楊建民1, 胡志強(qiáng)1, 付世曉1

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030; 2. 交通運(yùn)輸部上海打撈局，上海 200090)

拖曳水池中進(jìn)行立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了保證采樣時(shí)間長(zhǎng)度，難以達(dá)到較高的Re數(shù)。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(shí)現(xiàn)流速分層流場(chǎng)中細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過對(duì)流速增大裝置中的進(jìn)流段曲線進(jìn)行優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)Witozinsky曲線的總體性能最好。在對(duì)流速增大裝置進(jìn)行水池實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬后，發(fā)現(xiàn)流速增大區(qū)域的流速增大倍數(shù)接近進(jìn)流段收縮比，流速增大區(qū)域流場(chǎng)比較穩(wěn)定、均勻，流速增大裝置對(duì)其外的流場(chǎng)影響很小。此流速增大裝置不但可應(yīng)用于拖曳水池中的立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，還可以應(yīng)用于對(duì)流速要求較高的水下航行體的水池試驗(yàn)，如魚雷、水下機(jī)器人等。

拖曳水池；流速增大裝置；渦激振動(dòng)；立管；收縮比

在拖曳水池中進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，水池寬度有限，立管模型的長(zhǎng)度也相應(yīng)受到限制。為使立管模型的長(zhǎng)細(xì)比盡可能接近實(shí)際海洋立管，立管模型的直徑則較小。立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的采樣時(shí)間一般在20 s以上[1-2]，而目前世界上拖曳水池的長(zhǎng)度多數(shù)在150 m以內(nèi)，這樣便意味著拖車車速受到制約不能設(shè)得很大。較小的直徑、較低的拖車車速，便決定了較低的Re數(shù)。目前世界上在拖曳水池中所做的細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，一般Re數(shù)的數(shù)量級(jí)在104[3-4]。而墨西哥灣的立管一般經(jīng)受的Re數(shù)為105[5]。如果能在長(zhǎng)度不大的拖曳水池中，獲得較長(zhǎng)采樣時(shí)間長(zhǎng)度的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)較大的Re數(shù)，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(fā)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(zhǎng)度立管外流場(chǎng)的流速進(jìn)行增大，而其余立管外流速與拖車車速一致，從而實(shí)現(xiàn)流速分層流場(chǎng)中細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。而實(shí)際海洋中的流動(dòng)沿水深也具有分層的特點(diǎn)[6]。

對(duì)于較短的立管, 可以把其整體放置在流速增大裝置內(nèi)，實(shí)現(xiàn)較高Re數(shù)渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，而不犧牲數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間長(zhǎng)度。

利用現(xiàn)有的拖曳水池設(shè)施，流速增大裝置的造價(jià)比較低。這對(duì)于很多水下結(jié)構(gòu)物在高速流動(dòng)下的性能實(shí)驗(yàn)也是有實(shí)用價(jià)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(wěn)流板組成。增流體是對(duì)稱形的實(shí)體結(jié)構(gòu)，其外部表面是柱面。整個(gè)表面分成三段，分別為進(jìn)流段曲面、穩(wěn)流段平面和出流段曲面。一個(gè)流速增大裝置內(nèi)裝有兩個(gè)增流體，兩個(gè)增流體也是對(duì)稱布置于流速增大裝置內(nèi)。兩個(gè)增流體相對(duì)的穩(wěn)流段平面所夾的區(qū)域，便為流速增大區(qū)域。流速增大裝置的兩塊面板對(duì)稱布置于兩塊增流體的外側(cè)，并與增流體穩(wěn)流段平面平行。面板與增流體間有一定的空間供來流經(jīng)過。尾部穩(wěn)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(wěn)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(nèi)部流場(chǎng)壓力大于外部，從而導(dǎo)致流體從兩塊面板的頭部溢出一部分。這樣，流速增大區(qū)域的流速增大倍數(shù)稍低于其上限——兩個(gè)增流體頭部尖角間距與流速增大區(qū)域?qū)挾戎?。通過增加面板超出增流體頭部的長(zhǎng)度可減少溢出流。

兩個(gè)增流體之間的流場(chǎng)和面板與增流體之間的流場(chǎng)是基本對(duì)稱的兩個(gè)壓力平衡的流場(chǎng)。如果沒有面板，那么當(dāng)流體進(jìn)入流速增大區(qū)域后遇到空間收縮，壓力增大，會(huì)導(dǎo)致大量流體外溢出增流體入口，流速增大區(qū)域內(nèi)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(qū)域?qū)挾鹊囊话?。適當(dāng)減小面板與增流體的距離，可擠壓流體更多的進(jìn)入流速增大區(qū)域，這樣可使得流速增大區(qū)域的流速更大一點(diǎn)。但是如果面板與增流體的距離過小會(huì)導(dǎo)致流體從兩個(gè)面板入口端部外溢，產(chǎn)生負(fù)作用。尾部穩(wěn)流板的作用是避免流體在增流體后形成漩渦或振蕩流動(dòng)。

兩個(gè)增流體前部進(jìn)流段曲面和后部出流段曲面對(duì)流速增大區(qū)域流速增大的倍數(shù)、流場(chǎng)的質(zhì)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(jìn)流段曲面和出流段曲面的優(yōu)選

進(jìn)流段曲面和出流段曲面是由平面內(nèi)二維曲線往平面法向平移得到的柱面。進(jìn)流段曲面和出流段曲面的優(yōu)選問題則可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二維曲線優(yōu)選問題。原先的三維流動(dòng)問題即可轉(zhuǎn)化為流速增大裝置縱剖面內(nèi)的二維流動(dòng)問題。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化優(yōu)選問題，在優(yōu)選時(shí)，認(rèn)為出流段曲面與進(jìn)流段曲面對(duì)稱。面板超出增流體前后端的部分也對(duì)稱?，F(xiàn)把形成進(jìn)流段曲面的二維曲線標(biāo)定在xy坐標(biāo)平面內(nèi)，并簡(jiǎn)稱為進(jìn)流段曲線，如圖3所示。

圖3 xy坐標(biāo)平面內(nèi)的進(jìn)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(jīng)過增流體的前端點(diǎn)。

2.1進(jìn)流段曲線方程

目前在水洞(或風(fēng)洞)收縮段設(shè)計(jì)時(shí)，常用的收縮曲線有Witozinsky曲線、不同拐點(diǎn)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(jìn)流段曲線選優(yōu)時(shí)的曲線庫(kù)。根據(jù)圖3中的坐標(biāo)系以及標(biāo)示參數(shù)，下面給出這幾種曲線的方程。

1)Witozinsky曲線(簡(jiǎn)稱維氏曲線)

2)雙三次曲線

3)不同拐點(diǎn)(xi)位置的五次曲線

① 拐點(diǎn)位置為0.4的五次曲線

② 拐點(diǎn)位置為0.5的五次曲線

2.2優(yōu)選過程

將對(duì)進(jìn)流段曲線為上述六條曲線的流速增大裝置分別用數(shù)值方法考查相互間性能的優(yōu)劣。流速增大裝置的長(zhǎng)度為4.05 m，高度為2.016 m。進(jìn)流段的入口寬度為1.008 m，長(zhǎng)度為1.008 m。流速增大區(qū)域的入口寬度為0.648 m，長(zhǎng)度為0.9 m。面板與增流體的距離為0.324 m。面板端點(diǎn)超出增流體端點(diǎn)的距離為0.567 m。六條進(jìn)流段曲線的收縮比都為1.556，形狀走勢(shì)如圖4所示。

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

由于流經(jīng)流速增大裝置的水流基本為二維變化，故在對(duì)進(jìn)流段曲線為上述六條曲線的流速增大裝置進(jìn)行數(shù)值建模時(shí)，只根據(jù)流速增大裝置的縱剖面，建立了二維的數(shù)值計(jì)算模型。整個(gè)二維流體為狹長(zhǎng)的管道流。管道長(zhǎng)度為流速增大裝置長(zhǎng)度的10倍，寬度為流速增大裝置長(zhǎng)度的6倍。流速增大裝置放置在管道的中部。所用計(jì)算軟件為Fluent，湍流模式為k-ω系列模型。計(jì)算區(qū)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(qiáng)度都為0.1%。

在所有工況計(jì)算完成后，考查每條進(jìn)流段曲線的性能優(yōu)劣。進(jìn)流段曲線的性能主要體現(xiàn)在流速增大區(qū)域流場(chǎng)的流速增大情況以及均勻性。為進(jìn)行量化考查，建立了七個(gè)描述進(jìn)流段曲線性能的參數(shù)。這七個(gè)參數(shù)的定義如表1所示。

表1 進(jìn)流段曲線性能優(yōu)劣參數(shù)Tab. 1 Performance parameters of curves of incoming flow area

各個(gè)參數(shù)反映地是曲線性能的一個(gè)方面，為了得到以上各條曲線的總體性能優(yōu)劣，給出以下公式進(jìn)行衡量，值越大則總體性能越好。

式中：a1,……,a7為各性能參數(shù)的權(quán)重。七個(gè)參數(shù)權(quán)重的和為1，各個(gè)值的大小可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)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(shù)的取值方法如下：

d值將保證Δ值為適當(dāng)大小的正值而設(shè)定的一個(gè)定值，文中設(shè)為10。

經(jīng)過計(jì)算，可得到各條進(jìn)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(shí)的相應(yīng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試流速增大裝置在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的性能，在船模拖曳水池中對(duì)流速增大裝置進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)。

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)施

流速增大裝置的水池實(shí)驗(yàn)是在江蘇科技大學(xué)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(zhǎng)×寬×深)。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的流速增大裝置的進(jìn)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(jìn)流段曲線是相反的，曲線的收縮比與進(jìn)流段曲線一樣，但曲線的長(zhǎng)度大于進(jìn)流段。流速增大裝置的出流口處布置有6片尾部穩(wěn)流板。

表2給出了流速增大裝置的主要參數(shù)。這些參數(shù)的說明見圖1、圖2和圖3。

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

流速增大裝置由專門設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)儀器及工況

本實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)挪威Nortek公司生產(chǎn)的Vectrino聲學(xué)多普勒流速儀對(duì)流速增大區(qū)域的流速進(jìn)行測(cè)量。流速儀測(cè)量點(diǎn)在流速增大區(qū)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(shí)驗(yàn)的具體工況如表3所示。

表3 流速增大裝置水池實(shí)驗(yàn)的工況Tab. 3 Experimental conditions of flow accelerating rig in towing tank

在實(shí)驗(yàn)中，所有工況中流速穩(wěn)定段的采樣時(shí)間都在20 s以上。

4 三維數(shù)值實(shí)驗(yàn)

通過流速增大裝置的水池實(shí)驗(yàn)只能了解到流速增大區(qū)域離散點(diǎn)的流速增大情況，難以掌握整個(gè)流速增大區(qū)域以及流速增大裝置外的流場(chǎng)情況。為此，對(duì)流速增大裝置進(jìn)行了三維數(shù)值實(shí)驗(yàn)。

4.1數(shù)值模型的建立

流速增大裝置數(shù)值實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)格模型在GAMBIT中建立。流速增大裝置的各部分尺寸與水池實(shí)驗(yàn)時(shí)的一樣。由于流速增大裝置的對(duì)稱性，流體計(jì)算區(qū)域按對(duì)稱面建了一半。流體區(qū)域的入口邊界與流速增大裝置的距離為流速增大裝置長(zhǎng)度L的1.5倍。流體區(qū)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(qū)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(qū)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(zhǎng)度L的3倍。為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，流速增大裝置的面板表面、增流體表面和尾部穩(wěn)流板表面都建立了邊界層，邊界層中第一層網(wǎng)格的厚度為1 mm。流體計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)20.8 m、高4.3 m、寬2.6 m，網(wǎng)格單元數(shù)為130萬(wàn)。整個(gè)流體區(qū)域網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 數(shù)值實(shí)驗(yàn)流體區(qū)域三維網(wǎng)格圖Fig. 8 Three-dimensional mesh in flow field of numerical test

4.2計(jì)算條件及計(jì)算工況

用Fluent 3D求解器讀入在GAMBIT中導(dǎo)出的網(wǎng)格文件，并進(jìn)行計(jì)算條件的設(shè)置。文中所進(jìn)行的流速增大裝置數(shù)值實(shí)驗(yàn)選用3D定常流求解器。湍流模式為k-ω系列模型，近壁函數(shù)為SSTk-ω近壁模型，流體為液態(tài)水。

數(shù)值實(shí)驗(yàn)工況與水池實(shí)驗(yàn)工況一樣。所有數(shù)值實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)工況的模擬時(shí)間是10 min，時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s。

5 結(jié)果及分析

5.1流速增大區(qū)域的流速增大情況

根據(jù)流速增大裝置的水池實(shí)驗(yàn)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到流速增大區(qū)域的流速增大情況，如圖9所示。圖中，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值都是聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量點(diǎn)在各工況中的流速增大倍數(shù)，縱軸a表示流速測(cè)量點(diǎn)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(shù)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都顯示，流速增大區(qū)域內(nèi)流速有明顯的增大。實(shí)驗(yàn)曲線數(shù)值稍低于數(shù)值曲線，但兩條曲線的走勢(shì)基本一樣。在車速較低時(shí)，流速增大的倍數(shù)比較低，但在車速稍高后，流速增大倍數(shù)很快接近1.5，并且比較穩(wěn)定。由于進(jìn)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(qū)域流場(chǎng)的均勻性

分析數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到整個(gè)流速增大區(qū)域流場(chǎng)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(nèi)部流場(chǎng)和外部流場(chǎng)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(qū)域流場(chǎng)在xy剖面內(nèi)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(duì)上下面板外流場(chǎng)的擾動(dòng)基本可忽略。流速增大裝置后部有細(xì)長(zhǎng)的尾跡，但尾跡呈直線型，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的擾動(dòng)不大。由圖11可知，流速增大區(qū)域的流場(chǎng)在yz剖面內(nèi)大小分布均勻，流速增大明顯。流速增大裝置邊板外流場(chǎng)基本沒有受到擾動(dòng)。

表4 流速增大區(qū)域入口截面流場(chǎng)重要參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab. 4 Important properties of fore cross section area of accelerated flow field

6 結(jié) 語(yǔ)

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(jìn)流段曲線形狀對(duì)流速增大區(qū)域的流場(chǎng)品質(zhì)(如湍流度、流動(dòng)均勻性等)起到?jīng)Q定性作用。經(jīng)過對(duì)水洞(或風(fēng)洞)收縮段常用曲線進(jìn)行優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)Witozinsky曲線作為進(jìn)流段曲線的總體性能最好。

2)水池實(shí)驗(yàn)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都表明，流速增大區(qū)域的流速增大倍數(shù)達(dá)到進(jìn)流段收縮比的90%以上，且裝置外來流流速越高，裝置內(nèi)流速增大的倍數(shù)也會(huì)有一定的提高。

3)整個(gè)流速增大區(qū)域的流場(chǎng)在方向上基本與對(duì)稱面平行，在大小上較為均勻。流速增大裝置對(duì)其上下左右流場(chǎng)的擾動(dòng)基本可忽略。流速增大裝置的尾跡呈細(xì)長(zhǎng)直線型，對(duì)其后部流場(chǎng)的擾動(dòng)不大。

[1] CHAPLIN J R, BEARMAN P W, HUERA HUARTE F J, et al. Laboratory measurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in a stepped current [J]. Journal of Fluids and Structures, 2005, 21: 3-24.

[2] HONG S, CHOI Y R, PARK J B, et al. Experimental study on the vortex-induced vibration of towed pipes [J]. Journal of Sound and Vibration, 2002, 249(4): 649-661.

[3] TOGNARELLI M A, SLOCUM S T, FRANK W R, et al. VIV response of a long flexible cylinder in uniform and linearly sheared currents[C]//Proceedings of the OTC. 2004: OTC 16338.

[4] WILDE J J D, HUIJSMANS R H M. Laboratory investigation of long riser VIV response[C]//Proceedings of the 14th International Offshore and Polar Engineering Conference. 2004:511-516.

[5] ALLEN D W, HENNING D L. Prototype vortex-induced vibration tests for production risers[J]. Biog an International Journal of Obstetrics amp; Gynaecology, 2001, 97(6): 527-532.

[6] JEANS G, FAN S J. Gulf of Mexico sub-surface jet screening[C]//Proceedings of the Asme International Conference on Offshore Mechanice amp; Arctic Engineering. 2007:815-855.

[7] 吳宗成, 陳晏清, 萬(wàn) 曦. 水洞收縮段流場(chǎng)的數(shù)值模擬及優(yōu)選[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 24(3): 1-7. (WU Zongcheng, CHEN Yanqing, WAN Xi. Numerical simulation and optimization for flow in shrinkage section of water tunnel[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 1998, 24(3): 1-7. (in Chinese))

[8] 林超強(qiáng), 蘇耀西, 洪流. 矩形風(fēng)洞收縮段流場(chǎng)的計(jì)算和分析[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 1991, 9(4): 379-386. (LIN Chaoqiang, SU Yaoxi, HONG Liu. Calculation and analysis for flow in shrinkage section of rectangle wind tunnel [J]. Acta Aerodynamica Sinica, 1991, 9(4): 379-386. (in Chinese))

[9] 張連河, 范潔川. 三元收縮段優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 21(4): 419-423. (ZHANG Lianhe, FAN Jiechuan. Optimization design and research of 3D shrinkage section[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2003, 21(4): 419-423. (in Chinese))

[10] FANG F M, CHEN J C, HONG Y T. Experimental and analytical evaluation of flow in a square-to-square wind tunnel contraction[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89: 247-262.

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(yè)和信息化部“第七代超深水鉆井平臺(tái)(船)”創(chuàng)新專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)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(dòng)力性能研究。E-mail：yz@coes.cn

楊建民。E-mail：jmyang@sjtu.edu.cn