海洋管状结构涡激振动流体动力学分析

论文摘要

涡激振动往往会导致结构共振或短期疲劳破坏,是海洋结构特别是隔水管、管道这类管状结构设计与运行过程中必须考虑的重要因素。工程界现行涡激振动研究方法一般都忽略涡激振动机理的研究,而采用经验公式与试验数据相结合的方法。随着海洋工程向深水领域发展,以及研究深入,涡激振动机理研究、结构与流场的耦合分析成为涡激振动研究的重要发展方向。本文结合国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”重大项目课题:深水钻完井关键技术—深水隔水管及井口技术和中石化科研开发项目“杭州湾海底管道安全运行与风险管理技术研究—波流作用下海底管道悬跨失效概率分析”的部分研究内容,重点开展海洋管状结构涡激振动流体动力学分析的研究,针对现有涡激振动分析技术的缺陷,提出隔水管和管道涡激振动分析的改进方案,可为海洋管状结构设计提供参考。本文主要应用CFD软件模拟漩涡发放过程,研究涡激振动机理,分析漩涡形成和泄放规律以及影响其形成和发展的参数,给出不同雷诺数对应的尾流结构特征,以及升曳力系数等参数特点,分析二维平面势流和三维大涡模拟流场结构和参数差异,针对不同的边界条件,分别研究隔水管和管道涡激升力和曳力的形成规律和特点;利用弹簧振子模型考虑流场和结构之间的耦合作用,得到升力系数和横向位移响应的变化规律:随着海流速度增加,管柱升力系数和横向位移持续增加,达到最大值后保持稳定,然后略有减小;分析管柱结构在强迫振动条件下,升、曳力系数幅值和频率与结构振动幅值和频率的关系,观察到频率“锁定”现象。考虑相邻管柱结构之间绕流流场相互干扰,分析串行和并列布置管柱结构流场参数变化特点,计算发现串行管柱的下游管柱在绕流过程中比上游管柱受力状态更加恶劣,并列管柱流场的相互干扰使得升曳力系数均比孤立管柱要大。研究避免或减小涡激振动的方法,分析涡激抑制装置的工作机理,提出减振器最佳结构尺寸和安装要求,并与其它涡激抑制装置进行比较。研究新型阻流板结构对海底管道流场参数的影响,分析其实现管道“自埋”功能的机理,针对阻流板引起管道升力系数的严重不对称性,首次提出升力系数幅值和升力系数附加值的概念,以及阻流板管道结构涡激振动分析的改进计算方案。基于成熟的计算船舶运动与波浪载荷的切片理论,假设在单一来流条件下,流体力沿均匀管柱轴向各点基本相等,提出流构耦合观点分析涡激振动问题的详细方案,并给出了具体迭代过程和算例。

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 国内外研究现状
• 1.2.1 漩涡发放机理
• 1.2.2 柱体绕流尾流形态
• 1.2.3 尾流振子模型
• 1.2.4 计算流体动力学的发展
• 1.3 本文主要研究工作
• 1.3.1 结构尾流漩涡产生的机理
• 1.3.2 三维圆形管柱绕流流场大涡模拟
• 1.3.3 振荡管柱流场分析
• 1.3.4 隔水管和海底管道涡激振动分析
• 第二章 隔水管涡激振动流场分析
• 2.1 隔水管涡激振动静态二维模拟
• 2.1.1 计算方程模型
• 2.1.2 流场模型建立和结果分析
• 2.2 振动隔水管动力响应分析
• 2.2.1 振动管柱的弹簧阻尼系统模型
• 2.2.2 动网格技术的FLUENT实现
• 2.2.3 振动管柱弹簧阻尼模型的计算分析
• 2.2.4 算例及结果分析
• 2.3 强迫振荡隔水管流场分析
• 2.3.1 控制方程和计算条件设置
• 2.3.2 计算结果分析
• 2.4 三维隔水管大涡模拟
• 2.4.1 大涡模拟（LES）湍流方程
• 2.4.2 隔水管三维大涡模拟结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 管跨结构涡激振动流场分析
• 3.1 海底管跨结构绕流流场的CFD分析
• 3.1.1 流场区域设置和网格划分
• 3.1.2 常规管跨的计算结果分析
• 3.2 新型阻流板管跨结构流场分析
• 3.2.1 阻流板简介
• 3.2.2 阻流板管跨流场分析模型和网格布置
• 3.2.3 阻流板管跨计算结果分析
• 3.2.4 管跨结构流构耦合模型的建立
• 3.3 本章小结
• 第四章 涡激抑制装置CFD分析
• 4.1 减振器
• 4.1.1 减振器结构和流场计算区域设定
• 4.1.2 计算结果分析
• 4.2 螺旋列板
• 4.3 其它减振装置
• 4.3.1 涡激屏蔽装置
• 4.3.2 波状减振器
• 4.4 本章小结
• 第五章 管柱群绕流流场参数分析
• 5.1 串行管柱流场参数分析
• 5.1.1 流场分析模型的建立
• 5.1.2 流场结构分析
• 5.2 串行管柱流场参数变化规律
• 5.2.1 升力系数变化规律
• 5.2.2 曳力系数变化规律
• 5.2.3 斯特劳哈数变化规律
• 5.3 并列隔水管流场分析
• 5.3.1 并列管柱流场形式
• 5.3.2 并列管柱流场计算分析
• 5.4 阵列隔水管群流场参数分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 海洋隔水管涡激振动响应耦合分析
• 6.1 涡激振动耦合分析模型
• 6.1.1 隔水管绕流流场控制方程
• 6.1.2 隔水管结构动力学分析模型
• 6.1.3 基于切片理论的流构耦合模型
• 6.2 隔水管涡激振动耦合分析算例
• 6.2.1 计算条件
• 6.2.2 分析过程
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 今后研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间研究成果