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《中国石油大学》 2008年
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海洋管状结构涡激振动流体动力学分析

盛磊祥  
【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。
【学位授予单位】:中国石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TE54

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 樊娟娟;唐友刚;张若瑜;邵卫东;;高雷诺数下圆柱绕流与大振幅比受迫振动的数值模拟[J];水动力学研究与进展A辑;2012年01期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 樊娟娟;顶张力立管流固耦合的涡激振动数值模拟[D];天津大学;2012年
2 陈维杰;超强台风下固定式平台极限承载能力分析[D];中国石油大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李椿萱,彭少波,吴子牛;附属小圆柱对主圆柱绕流影响的数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
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3 赖永星,刘敏珊,董其伍;圆管绕流旋涡脱落诱导振动的数值模拟[J];动力学与控制学报;2005年01期
4 徐枫;欧进萍;;方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟[J];东南大学学报(自然科学版);2005年S1期
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6 祖楠;黄维平;;考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2006年01期
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9 曹丰产,项海帆;圆柱非定常绕流及涡致振动的数值计算[J];水动力学研究与进展(A辑);2001年01期
10 张洪军,苏中地,尹招琴;并列双圆柱尾迹被动控制中流场特性的实验研究[J];水动力学研究与进展(A辑);2004年06期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 任大朋;深水立管涡激振动的耦合模拟及抑制方法研究[D];大连理工大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 金光;宋兴旺;王华;;高温烟气中水滴非等温蒸发的数值模拟研究[J];四川有色金属;2011年01期
2 吕红明;余卓平;李鹏飞;张英;;声频法测定材料弹性模量的研究[J];工程塑料应用;2010年10期
3 许建柳;;复合墙体室内温度响应研究[J];四川建筑科学研究;2010年03期
4 王晓璐;黄大宇;;节能多孔砖墙体热工性能的数值计算及应用分析[J];四川建筑科学研究;2010年04期
5 周传辉;吴银光;陈华良;;双层皮玻璃幕墙风口的确定[J];四川建筑科学研究;2011年02期
6 陈威;张爱国;刘倩;戴青;;含湿多孔介质应用于建筑墙体的制冷性能分析[J];四川建筑科学研究;2011年06期
7 鲁嘉华;张志英;;地铁岛式站台火灾环境监测与控制[J];安徽大学学报(自然科学版);2009年01期
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9 徐振法;王银凤;唐铃凤;;离心式杂质泵蜗壳内部流场数值模拟[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2010年01期
10 徐宏波;;FR型防振锤结构对耗能的影响[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2009年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王利希;周健;Jimmy Tsang;潘乐燕;;汽车空调风道设计及验收方法[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
2 孙春耕;罗璟;张利;何敏;;水压双喷嘴挡板阀先导阀的CFD分析[A];第十五届流体动力与机电控制工程学术会议论文集[C];2011年
3 鲁建英;陈朗;;密闭空间内丙烷泄漏燃烧爆炸三维数值模拟计算[A];全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集(上)[C];2011年
4 王国庆;昌旭东;付广智;;事故条件下~(239)PuO_2气溶胶微粒在室内小环境扩散的三维数值模拟[A];全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集(上)[C];2011年
5 张恩佳;周佳亮;;流固耦合技术在水轮机蝶阀活门动态特性分析中的应用[A];抽水蓄能电站工程建设文集2011[C];2011年
6 刘福生;谭鲁志;王刚;;多区域网络模型在高速列车通风系统中的应用研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
7 孙赫晨;赵静野;;流体自控振荡器的模拟研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
8 齐晓娟;田瑞;杨晓宏;李嵩;;旋转切向入流膜蒸馏装置热容腔CFD的数值模拟[A];膜分离技术在石油和化工行业中应用研讨会论文集[C];2006年
9 于艳;樊耀波;徐国良;王琦;杨文静;;计算流体力学在膜技术及膜生物反应器研究中的应用[A];2010年膜法市政水处理技术研讨会论文集[C];2010年
10 韩传军;刘洋;李蓉;李大彬;雷中清;;基于CFD的三缸柱塞泵泵阀失效机理研究[A];非常规油气资源勘探开发装备及应用技术研讨会论文集[C];2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王高飞;通风方式对气流组织和室内空气品质的模拟研究[D];河南理工大学;2010年
2 王发辉;基于FLUENT的干法磁分离机理的数值模拟[D];河南理工大学;2010年
3 侯建军;高温矿井热环境数值模拟及热害控制技术研究[D];河南理工大学;2010年
4 王春磊;输送石灰石悬索桥钢索塔抗风性能研究[D];山东科技大学;2010年
5 苏超;变压吸附管道流体动力学特性研究[D];山东科技大学;2010年
6 王珺;山区风特性参数与自锚式悬索桥的静风稳定性研究[D];山东科技大学;2010年
7 倪川;某框架结构振动特性测试与控制分析研究[D];郑州大学;2010年
8 万方方;蒸发式冷凝器数值模拟与优化[D];郑州大学;2010年
9 田海燕;静电除尘器阳极振打系统的非线性分析[D];郑州大学;2010年
10 张妍;叶轮前侧盖板流固耦合动力学特性研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐枫;欧进萍;;方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟[J];东南大学学报(自然科学版);2005年S1期
2 侯保荣;;钢铁设施在海洋浪花飞溅区的腐蚀行为及其新型包覆防护技术[J];腐蚀与防护;2007年04期
3 程林,田茂诚,林颐清,张冠敏;弹性管束汽-水换热器强化传热试验研究[J];工程热物理学报;2001年02期
4 田茂诚,程林,林颐清,张冠敏;管外水流诱导管束振动强化传热试验研究[J];工程热物理学报;2002年01期
5 程林,田茂诚,张冠敏,邱燕;流体诱导振动复合强化传热的理论分析[J];工程热物理学报;2002年03期
6 程林,田茂诚,张冠敏,邱燕;流体诱导振动复合强化传热的实验研究[J];工程热物理学报;2002年04期
7 冷学礼,程林,杜文静;流体低速横掠振动圆管的传热特性研究[J];工程热物理学报;2003年02期
8 俞接成;李志信;邢程;;流体低速绕流振动圆柱对流换热数值研究[J];工程热物理学报;2006年04期
9 姜波;田茂诚;冷学礼;程林;曹炳阳;;低频振动管外流动与传热特性研究[J];工程热物理学报;2009年05期
10 陈志乐;刘桦;;床面上直立圆柱绕流问题的湍流模型比较[J];水动力学研究与进展A辑;2008年06期
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 冯丽梅;深海顶张力立管参激振动研究[D];天津大学;2010年
2 任铁;实尺度雷诺数复杂来流条件下的立管涡激振动试验研究[D];上海交通大学;2011年
3 任大朋;深水立管涡激振动的耦合模拟及抑制方法研究[D];大连理工大学;2006年
4 韩晓风;导管架平台的极限承载力分析[D];中国海洋大学;2007年
5 于海龙;基于ANSYS软件实现Spar平台的波浪载荷动力分析[D];哈尔滨工程大学;2008年
6 张建侨;细长柔性立管涡激振动的实验研究[D];大连理工大学;2009年
7 吴俊杰;老龄石油平台抗震可靠性分析[D];中国石油大学;2009年
8 李宝兴;脉动流中振动圆管外对流换热的数值分析及实验研究[D];山东大学;2010年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 何峰;海洋平台水下姿态测量系统的研究与开发[D];大连理工大学;2011年
2 周冲;我国台风的强度变化趋势及台风风速重现值估计[D];中国海洋大学;2012年
3 夏凡;导管架海洋平台倒塌分析[D];武汉理工大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 彭少波,吴子牛;小圆柱控制主圆柱涡脱落的详细流动结构数值研究[J];兵工学报;2000年S1期
2 李椿萱,彭少波,吴子牛;附属小圆柱对主圆柱绕流影响的数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
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7 曹丰产,项海帆;圆柱非定常绕流及涡致振动的数值计算[J];水动力学研究与进展(A辑);2001年01期
8 徐有恒,程兆,史一蓬,宾玮琪,孙俊,严峻,林东海;前柱和后柱对并列双柱脉动压力的干扰[J];水动力学研究与进展(A辑);1995年03期
9 万德成;用水深平均雷诺方程模拟有限长直立圆柱绕流[J];上海大学学报(自然科学版);1995年03期
10 董艳秋;波、流联合作用下海洋平台张力腿的涡激非线性振动[J];海洋学报(中文版);1994年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 王艺;陈伟民;;均匀来流中圆柱涡激振动负附加质量[A];第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集[C];2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 傅强;海洋输液立管动力特性及涡激振动响应理论研究[D];中国海洋大学;2004年
【相似文献】
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1 林海花;王言英;;波流共同作用下隔水管动力响应非线性分析[J];船舶力学;2009年02期
2 李保军;王海燕;申晓红;朱梦阳;蒋世全;;改进的隔水管VIV Welch均方根位移检测算法[J];石油机械;2011年07期
3 许亮斌;蒋世全;畅元江;陈国明;孙有义;;浮力块对深水钻井隔水管主要性能的影响[J];中国海上油气;2007年05期
4 李军强,方同;海洋钻井隔水管随机振动的理论分析[J];石油机械;2000年08期
5 王林,石晓兵,聂荣国,陈平,罗平亚,周俊昌;轴向载荷对海洋深水钻井隔水管力学特性的影响分析[J];石油矿场机械;2004年01期
6 石晓兵,郭昭学,聂荣国,陈平,周俊昌,罗平亚;海洋深水钻井隔水管变形及载荷分布规律研究[J];天然气工业;2004年03期
7 亢峻星;;深海钻井技术[J];中国海洋平台;1992年06期
8 王颖;;海洋钻井隔水管项目完成样机设计[J];石油机械;2008年08期
9 刘广志;IODP(OD21)配备隔水管系的深部地球科学钻探船设计已经完成[J];探矿工程(岩土钻掘工程);2002年05期
10 鞠少栋;陈国明;盛磊祥;畅元江;;基于CFD的深水隔水管螺旋列板几何参数优选[J];中国石油大学学报(自然科学版);2010年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 徐相国;冯俊杰;;市政工程建设中的管线保护[A];中国交通土建工程学术论文集(2006)[C];2006年
2 谷斐;王嘉松;钟庆;乔信起;黄震;;利用分离盘抑制隔水管涡激振动的风洞实验研究[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年
3 李亚莉;;呼吸机管道消毒方法探讨[A];中华护理学会第5届全国消毒供应中心发展论坛论文汇编[C];2009年
4 张华兵;冯庆善;郑洪龙;周利剑;;基于容许应变的管道地震失效概率分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
5 张荣沂;王科俊;史伟;贲晛烨;;基于SMA的新型蠕动式微型管道机器人研究[A];2009年中国智能自动化会议论文集(第七分册)[南京理工大学学报(增刊)][C];2009年
6 胡昌玮;唐雄燕;;物联网平台发展与智能管道探讨[A];中国通信学会信息通信网络技术委员会2011年年会论文集(下册)[C];2011年
7 黄显奎;;管道纯净饮用水工程设计浅谈[A];第四届全国给水排水青年学术年会论文集[C];2000年
8 梁君直;曾惠林;闫政;;高效焊接与管道施工[A];制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集[C];2002年
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10 严黔;;管道瞬时液相扩散连接设备的开发[A];全面建设小康社会:中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集(上)[C];2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 管道四公司党委工作部;铸就管道特种专业化公司[N];石油管道报;2008年
2 伍志祥 杨永献 王文玲 孙宝胜 徐洪涛 王文鹏;建功中亚管道 展“铁军”风采[N];石油管道报;2009年
3 记者 许冰洲;管道本已老化 一碰就会“受伤”[N];嘉兴日报;2010年
4 记者 梁杰;中缅管道焊接工艺评定工作顺利展开[N];石油管道报;2010年
5 陈启兵;干含硫原料气自动化输送管道已运转两年多[N];厂长经理日报;2000年
6 记者 彭同乐;赵玉建到管道局总医院调研指导工作[N];石油管道报;2010年
7 孙兆光 特约记者 胡智磊;2004:铸起管道新盾牌[N];中国石油报;2004年
8 通讯员 邓迪群 蒋伊湉;陕京管道增加输量应对冬季用气高峰[N];中国石油报;2008年
9 记者 刘涛 特约记者 王春梅 孙毅;管道二公司新办公区启用[N];石油管道报;2008年
10 通讯员 张克文;新疆油气储运公司管道占压清理工作获阶段性成果[N];中国石油报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邓锐;阻流板对双体船水动力性能影响的数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李小超;海底管线悬跨段涡激振动响应的实验研究与数值预报[D];大连理工大学;2011年
3 周俊昌;海洋深水钻井隔水管系统分析[D];西南石油学院;2001年
4 娄敏;海洋输流立管涡激振动试验研究及数值模拟[D];中国海洋大学;2007年
5 林海花;隔水管涡激动力响应及疲劳损伤可靠性分析[D];大连理工大学;2008年
6 何长江;柔性立管涡激振动试验与数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 艾尚茂;管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 宋吉宁;立管涡激振动的实验研究与离散涡法数值模拟[D];大连理工大学;2012年
9 张永波;深海输液立管涡激振动预报及抑振技术研究[D];中国海洋大学;2011年
10 唐国强;立管涡激振动数值模拟方法及物理模型实验[D];大连理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 盛磊祥;海洋管状结构涡激振动流体动力学分析[D];中国石油大学;2008年
2 梁静华;兰成渝成品油管道技术经济优化分析[D];武汉理工大学;2003年
3 于海群;管道超声导波检测专用探头的研制[D];北京工业大学;2003年
4 连学通;气力输送系统及其设备的研究[D];合肥工业大学;2009年
5 文佑祥;基于对等网络技术的语音通信系统的设计与实现[D];华中科技大学;2005年
6 王智;超声导波技术及其在管道无损检测中的应用研究[D];北京工业大学;2002年
7 蒋庆;新型管道—过滤器模式的研究及其应用[D];江西师范大学;2004年
8 何浩淼;三元混合液混合单元的优选与研制[D];北京化工大学;2004年
9 刘娜;工业压力管道应力分析简化模型研究[D];北京化工大学;2003年
10 黄炳臣;管道和支耳的三维有限元分析[D];北京化工大学;2003年
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