海洋立管涡激振动抑制方法研究

论文摘要

本论文跟踪了国内外有关圆柱体及海洋立管涡激振动问题的最新研究动向,对本领域内的研究方法和进展进行了综述和分析。以深海立管为研究对象,介绍了涡激振动的有关理论、数值模拟方法和实验方法,对均匀流中圆柱体的涡激振动进行数值模拟,探索了动波壁方法对圆柱体涡激振动的抑制作用,对深海柔性立管在不同均匀来流速度下的横向位移响应进行了时域计算,分析了立管的模态激发过程,并将动波壁方法应用于柔性立管的涡激振动抑制研究工作。论文的具体工作和主要研究成果如下:1)较为全面地回顾和分析了国内外研究海洋立管涡激振动问题的动态和进展,系统介绍了涡激振动问题研究过程中所涉及的流体相关参数、结构物相关参数和耦合运动相关参数等;2)针对平面内两自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动建立了圆柱体的力学模型,介绍了流场的数值求解方法和圆柱体的动力响应求解方法等,并对圆柱体与流场的耦合求解过程用流程图进行了描述。3)采用动波壁技术对圆柱体的涡激振动进行抑制效果研究,发现圆柱尾涡的发放与壁面波动方向相关,圆柱涡激振动位移响应受壁面波动频率影响,雷诺数固定不同约化速度弹性支撑圆柱的横向位移在适当的壁面波动频率下均能降低到0.05D以下,涡激振动抑制效果显著,壁面波动能够消除圆柱尾部流场的涡街,并使流场内涡量影响区域集中在纵向对称线附近较窄区域。4)详细介绍了海洋立管时域内动力响应的有限元方法并对Newmark-β方法编制了C语言程序,对其计算的精确性采用算例进行了验证。5)采用切片法对海洋立管因涡激振动而产生的柔性变形进行数值计算,分析了立管在均匀来流下的模态演化过程,考察了通过表面覆盖动波壁的方法控制细长立管的涡激振动,发现动波壁的设置能够极大限度地降低立管的横向位移响应,动波壁的覆盖率和覆盖方式对立管的横向位移响应产生明显影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 海洋立管涡激振动研究现状
• 1.2.1 涡激振动的概念
• 1.2.2 涡激振动研究现状
• 1.3 涡激振动抑制方法研究现状
• 1.4 论文的主要工作及创新点
• 1.4.1 论文的主要工作
• 1.4.2 论文的主要创新点
• 第2章 涡激振动基本知识
• 2.1 旋涡的形成与发放机理
• 2.2 涡激振动相关参数
• 2.2.1 流体相关基本参数
• 2.2.2 结构物相关参数
• 2.2.3 其他重要参数
• 2.3 本章小结
• 第3章 二维弹性支撑圆柱涡激振动数值计算方法
• 3.1 圆柱体力学模型的建立
• 3.2 流场数值求解
• 3.3 动力学方程的求解
• 3.4 计算流程
• 3.5 本章小结
• 第4章 主动控制措施对圆柱涡激振动的抑制作用
• 4.1 数值计算模型
• 4.1.1 计算流体力学控制方程
• 4.1.2 结构动力学控制方程
• 4.1.3 圆柱动波壁控制方程
• 4.2 几何模型选取与精度测试
• 4.3 计算结果讨论
• 4.3.1 壁面波动方向对圆柱涡激振动的影响
• 4.3.2 壁面波动频率对圆柱涡激振动的影响
• 4.3.3 壁面波动对不同约化速度下圆柱涡激振动的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 海洋柔性立管涡激振动的动力特性时域分析方法
• 5.1 立管模型简化
• 5.2 海洋立管动力响应的有限元方法求解
• 5.2.1 立管动力学方程
• 5.2.2 动力方程组的求解
• 5.3 纽马克方法程序精确性验证
• 5.4 本章小结
• 第6章 海洋柔性立管涡激振动响应及抑制作用分析
• 6.1 海洋柔性立管涡激振动的动力响应
• 6.1.1 实验装置及切片法流场模型参数
• 6.1.2 立管涡激振动数值求解
• 6.2 海洋柔性立管涡激振动的抑制作用分析
• 6.2.1 立管表面波动壁面覆盖率的影响作用
• 6.2.2 立管表面波动壁面覆盖方式的影响作用
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 大摘要