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海洋立管涡激振动抑制方法研究

张友林  
【摘要】:本论文跟踪了国内外有关圆柱体及海洋立管涡激振动问题的最新研究动向,对本领域内的研究方法和进展进行了综述和分析。以深海立管为研究对象,介绍了涡激振动的有关理论、数值模拟方法和实验方法,对均匀流中圆柱体的涡激振动进行数值模拟,探索了动波壁方法对圆柱体涡激振动的抑制作用,对深海柔性立管在不同均匀来流速度下的横向位移响应进行了时域计算,分析了立管的模态激发过程,并将动波壁方法应用于柔性立管的涡激振动抑制研究工作。论文的具体工作和主要研究成果如下: 1)较为全面地回顾和分析了国内外研究海洋立管涡激振动问题的动态和进展,系统介绍了涡激振动问题研究过程中所涉及的流体相关参数、结构物相关参数和耦合运动相关参数等; 2)针对平面内两自由度弹性支撑圆柱体的涡激振动建立了圆柱体的力学模型,介绍了流场的数值求解方法和圆柱体的动力响应求解方法等,并对圆柱体与流场的耦合求解过程用流程图进行了描述。 3)采用动波壁技术对圆柱体的涡激振动进行抑制效果研究,发现圆柱尾涡的发放与壁面波动方向相关,圆柱涡激振动位移响应受壁面波动频率影响,雷诺数固定不同约化速度弹性支撑圆柱的横向位移在适当的壁面波动频率下均能降低到0.05D以下,涡激振动抑制效果显著,壁面波动能够消除圆柱尾部流场的涡街,并使流场内涡量影响区域集中在纵向对称线附近较窄区域。 4)详细介绍了海洋立管时域内动力响应的有限元方法并对Newmark-β方法编制了C语言程序,对其计算的精确性采用算例进行了验证。 5)采用切片法对海洋立管因涡激振动而产生的柔性变形进行数值计算,分析了立管在均匀来流下的模态演化过程,考察了通过表面覆盖动波壁的方法控制细长立管的涡激振动,发现动波壁的设置能够极大限度地降低立管的横向位移响应,动波壁的覆盖率和覆盖方式对立管的横向位移响应产生明显影响。


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