数值水池

试验介绍

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1.功能介绍

本产品主要用于预报深海细长柔性立管的涡激振动（VIV）响应，采用基于切片法的流固耦合计算策略，在高性能计算集群上进行大规模CFD并行计算，融合了参数化网格智能生成和专家智慧，操作简单，虚拟试验预报结果精度满足要求，与国际一流软件相当。

主要功能有：
均匀流/阶梯流/剪切流中细长柔性立管的涡激振动预报

2.产品特色

（1）基于切片法如图1所示，将超大规模的三维流场简化为若干二维流场切片，使得计算网格量降低到可接受范围内，并在高性能计算集群上进行并行计算，提高立管涡激振动响应的预报效率；

图1 切片法示意图

（2）计算网格的参数化自动生成。由于结构场采用基于欧拉-伯努利梁的有限元方法计算，因此无需实际建模；流场计算部分，各切片的初始网格及边界条件均相同，并且网格结构简单，因此可通过参数化的网格绘制策略进行计算网格的自动生成。流场计算网格及网格绘制相关参数如图2所示。

图2 计算网格参数化自动生成

（3）试验结果分析

主要提供两类后处理分析结果，包括：

1）曲线图：
    节点横流向振动时历曲线、节点顺流向振动时历曲线、横流向
    振动包络线、横流向振动均方根曲线、顺流向振动包络线、顺流向振
    动均方根曲线、顺流向振动平均位置曲线；

2）流场图：流场切片速度云图、流场切片压力云图、流场切片涡量云图。

3.运行环境和效率

需要在高性能计算集群上并行计算、计算时间与计算总网格量、并行核数、计算结束时间以及计算时间步长等相关。一般单节点并行计算，计算时长约为4天。

4.试验精度

测试结果与已公开发表的标模试验数据吻合良好，计算误差在20%以内。

典型案例

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1.1 案例名称

案例试验-涡激振动精细-均匀流中13.12m模型立管

1.2 案例描述

均匀流中13.12m模型立管试验

1.3 试验结果

① 各节点横流向振动时历曲线
    ② 横流向振动包络线
    ③ 横流向振动均方根曲线
    ④ 各节点顺流向振动时历曲线
    ⑤ 顺流向振动包络线
    ⑥ 顺流向振动均方根曲线
    ⑦ 顺流向平均位置曲线
    ⑧ 各切片速度云图
    ⑨ 各切片压力云图
    ⑩ 各切片涡量云图

1.4 重要模型和参数

试验模型分为三部分，流场参数、立管结构参数和网格生成参数。

虚拟试验输入参数见下表1-表4。

表1 流场参数

流体密度（kg/m3）	1000
流体动力粘性系数（m2/s）	0.000001
流速（m/s）	（0, 0.16, 0）

表2 立管结构参数

立管直径（m）	0.028
立管长度（m）	13.12
立管线密度（kg/m）	1.847
立管结构刚度（Nm2）	29.88
立管顶端张力（N）	405
结构有限单元数	80

计算网格的生成通过调用相应的python脚本，修改相关参数即可生成。

图3 网格划分示意图

网格绘制参数如下表所示：

表3 网格划分

流场切片数 20 圆形贴体网格外径（相对于圆柱半径的倍数） 10 圆心至计算域顶端距离（相对于圆柱直径的倍数） 10 圆心至计算域底端距离（相对于圆柱直径的倍数） 50 圆心至计算域左端距离（相对于圆柱直径的倍数） 15 圆心至计算域右端距离（相对于圆柱直径的倍数） 15 轴向划分数量 95 周向划分数量 70 上端划分数量 15 下端划分数量 65 左端划分数量 25 右端划分数量 25

1.5 部分试验结果展示

通过对立管各节点的结构振动响应数据，进行时间和空间上的处理，获得相应的结构响应曲线。

1）各节点横流向振动时历曲线图

图4所示为立管典型节点位置(z/L=0.25, z/L=0.5, z/L=0.75,其中z为立管节点的轴向位置，L为立管长度)的横流向振动的时历曲线，可以看到各节点横流向振动的范围，确定最大振幅区间。

图4 典型节点的横流向振动时历曲线

2）横流向振动包络线图：

图5为横流向振动包络线，图中各曲线表示该时刻，立管各节点的横流向振动的振幅随立管轴向位置的变化情况，通过所选时间段内的振动包络线形状，可以看出立管横向振动的模态。

图5 立管横流向振动包络图

3）横流向振动均方根曲线

图6所示为横流向振动的振幅均方根值随立管轴向位置的变化曲线，从图中可以看出立管的横流向主模态，以及振幅最大节点所对应的轴向位置。

图6 立管横流向振动均方根曲线

4）各节点顺流向振动时历曲线图：

图7所示为立管典型节点位置(z/L=0.25,0.5,0.75,z为立管节点的轴向位置，L为立管长度)的顺流向振动的时历曲线，可以看到各节点顺流向振动的范围，确定最大振幅区间，以及振动的平均位置。

图7典型节点的顺流向振动时历曲线

5）顺流向振动包络线图：

图8为顺流向振动包络线，图中各曲线表示该时刻，立管各节点的顺流向振动的振幅随立管轴向位置的变化情况，通过所选时间段内的振动包络线形状，可以看出立管横向振动的模态，以及立管顺流向的变形程度。

图8典型节点的顺流向振动时历曲线

6）顺流向振动均方根曲线：

图9所示为顺流向振动的振幅均方根值随立管轴向位置的变化曲线，从图中可以看出立管的顺流向模态，以及振幅最大节点所对应的轴向位置。

图9 立管顺流向振动均方根曲线

7）顺流向振动平均位置曲线：

图10为立管顺流向振动的平均位置曲线，从图中可以看出各节点顺流向振动平均位置随立管轴向的变化特性，可确定立管振动变形最大的节点位置。

图10 立管顺流向振动平均位置曲线

剪切流

阶梯流

均匀流

操作指南

开始试验

用户登录中国数值水池虚拟试验系统后，可完成系统提供的各类虚拟试验。虽然试验在参数、求解器、计算结果等方面区别很大，但总体上来说操作过程基本相同，主要由四个部分组成：1试验创建；2参数录入（前处理）；3计算求解；4结果展示（后处理）。

登录系统后，点击页面左侧导航栏中的“涡激振动（精细）”，从而进入该试验的管理页面。如下图所示，该页面有关于船舶快速性预报的主要功能介绍，以及该虚拟试验的相关特色，其下为“我的试验”。

“我的试验”中给出用户做过的试验列表，该列表以时间顺序排序，可以在看到用户做的每一个虚拟试验的概要信息，如试验名称、编号、描述、创建时间、修改时间等内容，用户可在这里对试验进行创建核删除操作。

页面的右侧是涡激振动（精细）的“样例试验”，如下图所示。样例试验是系统提供的已经完成的典型试验，对系统中的所有注册用户开放，可给用户提供一定的参考，从而更好地完成自己的虚拟试验。

点击“样例试验”后，则进入样例试验的详情界面，可以看到样例试验的参数设置、求解器的执行信息及试验的结果。这里，用户可以查看样例的所有信息，但不可以修改。

1.试验创建

系统提供了两种创建虚拟试验的方法，第一种是通过某个虚拟试验为范本来创建虚拟试验。如下图所示，点开某个虚拟试验的详情页面，在这个页面的实验属性栏中用红色字体标出的字样“以此创建试验”，则弹出创建新试验的对话框，输入适当的试验名称、编号及描述，点击确定即可完成新试验的创建。

如下图所示，新试验创建后将自动跳转到该试验的详情页面，可见通过这种方式创建的新试验是样例试验的一个拷贝，其参数与样例试验相同，用户只需按实际情况修改部分参数即可。因此，可将当前虚拟试验看成试验模板，起到初始化设定新试验参数的作用，系统推荐通过这样的方式来创建新的虚拟试验。

第二种创建新试验的方法是创建一个空白试验。如下图所示，通过点击“涡激振动（精细）”中虚拟试验列表上方的“新建”按钮，同样会弹出对话框如下图。填入相应的信息，然后点击确定，即可创建一个新的空白试验。

如下图所示，新空白试验创建后，同样会自动跳转到该虚拟试验的详情页面。可见通过该方法创建的所有虚拟试验都是空白，需要用户手动输入所有的必填参数，方可进行计算，该方法适用于有一定经验的用户。

2. 参数录入

当一个新的虚拟试验创建口，用户需要对其参数进行适当的录入或修改，为确保结果的准确，请确认所录入的参数符合实际情况。

2.1 流场参数

进入“流场参数”栏，可进入如下图所示页面，点击“修改”按钮，可以进行流场相关参数的设置，一下参数都需要用户手动输入。

2.2 立管结构参数

进入“立管结构参数”栏，点击“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对立管结构参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

2.3 网格生成参数

进入“网格生成参数”栏，点击“修改”按钮，可进入如下图所示页面，网格绘制参数进行设置，如下图所示。根据右侧图示进行相关参数的输入，点击“生成网格”几个进行计算网格的自动生成，并进行网格质量的查看。

2.4 求解设置

进入“求解设置”栏，点击“修改”按钮，进行相关参数的输入，如下图所示。

3. 计算求解

全部参数正确设置后，可点击“启动计算”按钮，启动求解器进行计算，如下图所示。

如果用户录入的参数不符合计算条件时，计算将无法启动，并会弹出对话框进行提示，请用户按照提示的要求来填写相关的参数，以确保试验能够正确，顺利的进行。

4 结果展示

当求解器执行结束后，可切换到“后处理”栏对应的页面来看本次虚拟试验的结果，试验结果可分为以下几类：

4.1曲线图

包含有横流向和顺流向的7中曲线图，选择需要展示的类型，并点击“显示曲线”按钮即可进行计算结果曲线的展示。

4.2云图

包含有指定切片的流场云图

参考资料

开始试验

4.1粘性流场数值计算控制方程

软件主要采用非定常不可压雷诺平均纳维尔-斯托克斯RANS方程并配合SST 湍流模型求解各切片周围的粘性绕流场。描述涡激振动中流动问题的控制方程如下：

式中为时均应变率张量，为雷诺应力项，该项由脉动速度产生，代表湍流效应，通常用表示。这是一个RANS方程的未知量，需要引入湍流模型来使问题封闭。通常采用基于Boussinesq假设的涡粘模型，认为雷诺应力与平均速度梯度成正比，即：

式中是动力涡粘性，是湍动能，假定满足各向同性。因此有下式：

其中有效压力，有效粘性。

求解器使用SST 湍流模型得到，实现RANS方程的闭合。SST 湍流模型包括湍动能和耗散率的输运方程。

湍动能的输运方程：

耗散率的输运方程：

viv-FOAM-SJTU V1.0求解器基于切片理论进行计算流体动力学（CFD）的数值模拟，沿立管轴向进行二维切片流场的局部求解。使用的算法是开源CFD软件OpenFOAM自带的PIMPLE算法，PIMPLE算法是PISO算法和SIMPLE算法的结合，即每个时间步使用SIMPLE算法求解，而时间步的步进采用PISO算法，适于求解瞬态不可压流体问题。

4.2结构动力学控制方程

采用有限单元法对结构运动方程进行离散，可将一个原无限自由度体系的动力问题转变成一个以有限个节点位移为广义坐标的多自由度体系的动力问题。在动力问题中，节点的位移是指广义位移，包括线位移和角位移。我们将立管沿轴向划分有限个单元，如图11所示。以流向为例，每个单元由两个结点组成，共有4个自由度，两端的横向位移和转角分别为、和、，单元的长度为，如图12。