海底管线管跨结构涡致耦合振动的数值模拟与实验研究

论文摘要

海底管线是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分,被喻为海上油气田的“生命线”,在海洋油气资源的开发利用中发挥着重大作用,海底管线的安全正常运行是海上油气田安全生产的重要保证。海底管线管跨结构由于具有特殊的结构形式,在海流作用下会发生复杂的涡致振动以及频率“锁定”现象,并诱发流体与结构之间的相互作用,由此导致的结构失稳以及疲劳破坏是海底管线损伤的重要形式。针对海底管线管跨结构的涡致耦合振动问题,考虑到二维流场数值模拟的局限性以及管跨结构的动态响应具有轴向分布的特点,本文基于二维的标准k ?ε湍流模式,以及考虑管内流体流动影响的管跨结构运动控制方程,构建了由水动力模块和结构动力模块两部分构成的准三维数值模型,用于描述海底管线管跨结构的涡致振动以及涡致振动过程中流体与结构之间的相互作用。该模型的本质是用二维模型求解三维问题,其基本思想很大程度上体现在它的数值求解过程中。为了解决流固耦合数值研究中两相介质界面上力与运动关系的传递与协调问题,本文在总结前人研究工作的基础上,提出了一种新的动态块结构数值网格生成技术,该技术将包含壁面运动边界的网格块的运动与块内网格的变形结合起来,共同承担因壁面边界运动引起的域内网格的变形,因此能够满足结构大幅运动的需要,而不引起网格的畸变。本文发展的准三维数值模型与新的动态块结构数值网格技术相结合,被成功应用于海底管线管跨结构涡致耦合振动问题的研究。通过数值算例,深入研究了涡致耦合振动过程中管跨结构的动态响应和动力特性以及绕流流场的水动力特性,详细分析了涡致耦合振动的各种影响因素,探讨了频率“锁定”以及流固耦合等非线性动力特性和行为,并得出了相关的结论。为了深化对该涡致耦合动力

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 相关研究工作的历史与现状
• 1.2.1 钝体绕流的流动特征
• 1.2.2 涡致振动的机理与特征
• 1.2.3 涡致振动研究的数学方法
• 1.2.4 海底管线的动力学研究
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.4 所获项目资助情况
• 参考文献
• 第二章 管跨结构涡致耦合振动的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 绕流流体的运动控制方程
• 2.2.1 关于湍流的数值模拟
• 2.2.2 湍流的统计理论及雷诺平均 N-S 方程
• 2.2.3 标准k? ε模式
• 2.2.4 边界条件
• 2.3 管跨结构的运动控制微分方程
• 2.4 管跨结构涡致耦合振动的准三维数值模型
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 数学模型的数值求解
• 3.1 引言
• 3.2 水动力模型的数值求解
• 3.2.1 计算流体力学的离散方法
• 3.2.2 有限体积法与方程的离散格式
• 3.2.3 求解压力速度耦合方程的SIMPLE 算法
• 3.2.4 求解代数方程组的SIP 法
• 3.3 结构动力模型的数值求解
• 3.3.1 结构运动方程的有限元形式
• 3.3.2 Newmark- β法
• 3.4 准三维数值模型的求解
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 动态块结构数值网格的生成
• 4.1 引言
• 4.2 数值网格生成技术概述
• 4.2.1 网格的分类
• 4.2.2 网格生成方法分类
• 4.3 无限插值法
• 4.3.1 曲线坐标变换
• 4.3.2 无限插值法
• 4.4 动态块结构数值网格生成技术
• 4.4.1 几何守恒定律
• 4.4.2 基本思想
• 4.4.3 实施步骤
• 4.4.4 网格生成算例
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 物理模型实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 近底圆柱绕流的水动力实验
• 5.2.1 实验系统设置
• 5.2.2 实验方案设计
• 5.2.3 实验结果与分析
• 5.3 管跨结构涡致振动的动态响应实验
• 5.3.1 模型设计与制作
• 5.3.2 实验设备与测试仪器
• 5.3.3 实验方案
• 5.3.4 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 数值算例及其结果分析
• 6.1 引言
• 6.2 数值算例
• 6.2.1 计算域和计算网格的设置
• 6.2.2 初、边值条件的设置
• 6.3 数值结果分析
• 6.3.1 近底圆柱绕流尾流结构分析
• 6.3.2 近底绕流圆柱体表面动水压力分布
• 6.3.3 涡致耦合振动的流场结构分析
• 6.3.4 涡致耦合作用力及结构动态响应分析
• 6.3.5 频率“锁定”非线性特性分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 本文的创新要点
• 图一览
• 表一览
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢