深水顶张式立管螺旋侧板抑制VIV机理研究

论文摘要

泻涡脱落诱发的涡激振动是海洋立管疲劳破坏的主要诱因,利用相关的扰流装置抑制涡激振动对立管的损伤,越来越受到海洋工程界的关注。目前在螺旋侧板的物理实验和数值模拟等方面仍面临很多难题。本文以CFD(计算流体力学)数值模拟在涡激振动计算仿真中的应用,通过物理模型实验和数值模拟相结合对光滑立管和覆盖螺旋侧板的立管的泻涡脱落和与之对应的涡激振动形态等进行了综合研究。本文采用物理实验验证和数值模拟结合的方法深入研究光滑立管的涡激振动机理,以及螺旋侧板对立管涡激振动的抑振原理。其中物理模型实验和数值模拟工作相互补充,前者为后者提供模型建立的方向性指导并作为判断计算结果可靠性的依据；经过优化设计的后验型数值模拟则为物理模型实验提供对应的螺旋侧板尾流区泻涡发放形态及结构位移和变形的瞬时综合信息,从漩涡发放形态随时间和沿立管轴向变化阐释螺旋侧板对立管涡激振动的影响。同时,本文对数值模拟的结果和物理模型实验观测的结果之间存在的差异给予合理的说明,并提出改进方案。在物理实验中,取光滑立管与螺旋侧板高为0.10D(D为立管的直径)立管进行对比,研究立管在不同流速下的应变和立管尾部涡街的变化,分析螺旋侧板螺距对立管涡激振动的影响。在数值模拟过程中,将实验中比较有代表性的两组雷诺数：Re=200和Re=1500,两种流速下对光滑立管和覆盖螺旋侧板的立管分2D和3D两种情况进行模拟分析。在2D数值模拟中,光滑立管取一圆形截面进行分析,对于覆盖螺旋侧板的立管取其中四个比较有代表性的截面,研究拖曳力,升力以及拖曳力系数和升力系数在不同雷诺数,不同截面下变化,进而研究螺旋侧板对立管涡激振动的影响。在3D数值模拟过程中,将取光滑立管和P5_H0.10, P5_H0.14, P5_H0.25和P16_H0.25四种覆盖螺旋侧板的立管在雷诺数Re=200和Re=1500下,通过研究拖曳力系数和升力系数随Re的变化与2D数值模拟的结果进行对比,分析螺旋侧板高和螺距对立管涡激振动的影响,并通过对三维立管的疲劳寿命的计算得出最优的螺旋侧板尺寸。这些先验的模拟工作对指导今后的物理模型实验以至相关的实际海洋工程实践都具有重要的参考价值。本文创新性的工作体现在：通过实验、模拟结果对螺旋侧板的研究提供可靠的数据,将物理模型实验与数值模拟相关的很多重要结论结合起来研究涡激振动对立管的影响。同时,通过物理模型实验与数值模拟的结合,对很多刚性管涡激振动抑振相关的振动模态、振幅间相互作用、泻涡发放变化规律及尾流区复杂的泻涡发放形态等方面都给予了合理的解释。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

2 涡激振动基础知识

2.1 概述

2.2 漩涡发放机理

2.3 涡泄脱落形态

2.4 涡激振动拖曳力和升力

2.5 涡激振动的相关参数

2.5.1 约化速度

2.5.2 锁振（Lock-in）

2.5.3 涡泄发放形态

2.6 本章小结

3 相似理论及数值模拟方法

3.1 概述

3.2 相似理论

3.2.1 几何相似

3.2.2 运动相似

3.2.3 动力相似

3.2.4 相似准则

3.3 雷诺平均N-S方程

3.4 湍流模型

3.5 数值求解及离散方法

3.6 本章小结

4 螺旋侧板涡激振动的实验研究

4.1 实验目的和内容

4.2 模型设计

4.3 实验数据的转换原理

4.4 实验结果

4.4.1 实验流速的选取

4.4.2 模型的固有频率

4.4.3 涡街泄放图

4.4.4 立管应变响应

4.5 本章小结

5 二维立管涡激振动与螺旋侧板的数值模拟

5.1 概述

5.2 边界条件的设定

5.3 网格划分

5.4 二维在Re=200时的数值模拟

5.4.1 二维在Re=200时的光滑立管的数值模拟

5.4.2 二维Re=200时的螺旋侧板的数值模拟

5.5 二维Re=1500时的光滑立管与螺旋侧板的数值模拟

5.6 本章小结

6 三维螺旋侧板的实验研究与数值模拟

6.1 概述

6.2 流固耦合数值模拟可行性研究

6.3 三维立管的数值模拟

6.3.1 三维立管的边界条件及相关设置

6.3.2 三维柔性立管与刚性立管的数值模拟

6.4 三维螺旋侧板的数值模拟

6.4.1 概述

6.4.2 Re=200时螺旋侧板的三维数值模拟

6.4.3 Re=1500时螺旋侧板的三维数值模拟

6.5 本章小结

7 全文总结与研究展望

7.1 全文总结

7.2 存在的问题及进一步的建议

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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