海洋立管流固耦合特性数值模拟研究

论文摘要

随着深海工程不断向深水区域发展,海洋立管的安全性问题日益突出,在不同来流作用下,立管都会发生明显的涡激振动,这会加速结构的疲劳损伤,严重威胁平台系统的作业安全和工作性能。本论文采用一种全新瞬态耦合方法模拟柔性立管的振动效应,该方法完全考虑流体和固体之间的相互作用,把立管作为一个具有一定密度和弹性模量的柔性构件,利用商业软件FLUENT和ABAQUS对立管尾流及振动特性进行数值模拟,并利用商业软件MPCCI在相同耦合面的基础上进行数据插值,实现立管受力和结构变形之间的动态数据交换。本论文成功地模拟了均匀来流下小长径比立柱以及大径长比深海立管在均匀来流时的流固耦合振动特性。研究成果表明:小长径比立柱主要为低阶模态的振动,来流对其产生的涡激振动幅值较小,特别是轴向振动幅值很小,可以不予考虑。大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,本文提出的流固耦合新方法对深海立管流固耦合特性的研究将是有实际应用价值和意义的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.2 海洋立管流固耦合研究现状
• 1.2.1 实验方法
• 1.2.2 数值模拟方法
• 1.3 商用软件概述
• 1.3.1 商用CFD 软件
• 1.3.2 商用ABAQUS 软件
• 1.3.3 商用数据接口软件
• 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
• 第二章 柱体绕流及其流固耦合特性
• 2.1 漩涡脱落原因
• 2.2 升阻力形成原因
• 2.3 尾流特性及其模态特征
• 2.4 升阻力系数
• 2.5 折合速度及质量比系数
• 2.6 深海立管涡激振动
• 2.7 本章小结
• 第三章 分离式耦合数值模拟方法
• 3.1 立管涡激载荷数值模拟方法
• 3.1.1 大涡模拟方法
• 3.1.2 数值处理方法
• 3.1.3 动网格技术
• 3.2 立管振动数值模拟方法
• 3.2.1 有限元方法
• 3.2.2 运动方程求解
• 3.2.3 立柱振动特性分析
• 3.3 分离式流固耦合方法
• 3.4 小结
• 第四章小长径比立柱流固耦合振动特性分析
• 4.1 问题提法与求解
• 4.2 数值结果与分析
• 4.2.1 立柱尾涡特性
• 4.2.2 升阻力系数特性
• 4.2.3 立柱振动特性
• 4.3 本章小结
• 第五章大长径比深海立管流固耦合振动特性分析
• 5.1 问题提法与求解
• 5.2 数值结果与分析
• 5.2.1 立管尾涡特性
• 5.2.2 立管升力系数特性
• 5.2.3 立管横向振动特性
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文