深水立管束涡激振动分析和数值模拟

论文摘要

在今天的海洋石油开采中,出于经济和灵活性的考虑,经常会一个平台连接多个管线,例如顶张式立管,致使在立管、锚链、补给线以及平台间形成相互的耦合作用,互相影响,特别是在有限的面积上有很多的立管的时候。由立管碰撞引起的损伤可能会降低立管的使用寿命,甚至会危及平台的安全。如何在有限的平台面积上尽可能多的增加立管,同时避免立管间的相互碰撞和过度的涡激运动,因此对多立管之间相互影响的研究具有重要意义。海洋立管在海流作用下,出现有规律的漩涡脱落,对立管会有周期性的脉动作用,从而导致涡激振动,其将会影响立管的寿命,严重情况下还会造成生产破坏,危及平台的正常工作。关于涡激振动引发的海洋立管疲劳破坏不仅受到了众多学者的关注。目前在此方面的研究和分析主要运用物理模型实验和数值模拟,模型实验需要大量的时间以及人力物力,存在很多的难题。本文运用有限元计算软件ansysll进行数值仿真对单立管与多立管的涡激振动现象进行了综合分析研究。本文共分为3个部分,首先在总结前人的基础上,采用计算流体力学软件cfx研究了2维情况下,单立管和不同中心距下横流向双立管的涡激振动问题,对比分析了升力和横向拖曳力的变化情况,以及周期相位等出现的问题,得出了可靠的结论,验证了数值方法的正确性。其次,研究了3维刚性双立管的绕流问题,与2维数值模拟做比较,更加的符合真实的工况,接近现实问题,得出的结果和分析的结论,更好的指导实际问题。最后是本文的主要侧重点,即对3维柔性多立管进行数值模拟,并与3维固定多立管做比较,分析升力和横向拖曳力系数的变化情况。研究过程中不仅得出了可靠的结果,还取得了一些有益的发现,为相关的海洋工程实际问题提供了重要的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究的成果和现状
• 1.3 本文研究的意义
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 涡激振动的基本理论与流固耦合数值模拟
• 2.1 涡激振动基本理论
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 涡激振动的条件及基本原理
• 2.1.3 涡流对立管的作用力
• 2.1.4 流场方程
• 2.2 数值模拟
• 2.2.1 cfx软件介绍
• 2.2.2 流固耦合
• 2.2.3 涡激振动分析方法
• 2.2.4 计算和模拟涡激振动的软件
• 第三章 二维单双立管的升阻力研究
• 3.1 物理模型和数值模拟
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 网格划分
• 3.2 计算结果
• 3.2.1 升力和阻力
• 3.2.2 单双立管升力变化
• 3.3 结论
• 第四章 三维立管分析模拟
• 4.1 物理模型和网格建立
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 网格划分
• 4.2 计算结果分析比较
• 4.2.1 升力系数与拖曳力系数
• 4.2.2 结果分析比较
• 4.3 结论
• 第五章 三维弹性立管数值模拟
• 5.1 流固耦合数值模拟可行性研究
• 5.2 控制方程及物理模型
• 5.2.1 控制方程
• 5.2.2 物理模型及网格划分
• 5.3 算例结果
• 5.3.1 计算结果
• 5.3.2 数值结果分析比较
• 5.4 结论
• 第六章 全文总结与研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表论的学术论文