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圆柱涡激振动特性的数值模拟研究

曾攀  
【摘要】:由绕流引起的柱体涡激振动是海洋工程领域中频发的一种流固耦合现象。典型的工程实例如深海采油立管,其作业水深往往能达到几百甚至上千米。在一定外部激励下,立管系统可能发生流致涡激振动,从而引起管道的疲劳损坏。随着油气资源的开采逐渐走向深海,对立管系统的结构强度和稳定性要求也日趋严格。因此,本文以海洋工程中圆柱形立管为背景,对圆柱发生涡激振动的物理现象进行数值模拟研究,探究涡激振动的特性和机理,为进一步研究抑振措施等奠定基础。综合考虑计算量以及工程需求,本文选取有限体积法与RANS相结合的方法对涡激振动问题进行数值模拟。引入湍流模型封闭控制方程,使用四阶龙格库塔方法离散振动方程,用动网格技术处理边界运动。首先,本文对上述数值模拟方法以及流固耦合方法的有效性和适用性均进行了验证。考虑到固定圆柱绕流问题在Re=3900下有大量的实验及数值结果,故先对该雷诺数下的绕流流场进行了模拟,模拟结果与参考数据吻合良好;在此基础上对低雷诺数下的涡激振动问题进行了数值模拟研究,同样得到了较为满意的结果。本文随后使用了验证后的模型对圆柱单自由度和两自由度涡激振动分别进行了数值模拟研究,约化速度范围为2到14。主要结论为:对于涡激振动问题,相比RNG k-ε、Realizable k-ε和Standard k-ω三个模型,SST k-ω湍流模型的综合模拟结果较为理想,其对尾涡形态的捕捉优势明显。涡激振动特性的影响因素中,质量比m~*决定了圆柱的锁定区间长度,相同条件下,m~*越小则锁定区间越大。而质量阻尼比m~*ζ决定了涡激振动锁定时的共振振幅大小,同等条件下,m~*ζ越小则振幅越大。在一定条件下,两自由度振动圆柱的水动力系数与单自由度存在较大差异,两自由度振动中顺流向运动不可忽略,其可能引起新的“2T”脱涡模式从而使得响应进入超上端分支。在研究流速范围内,顺流向振动响应频率多为横向的2倍,实际工程中也可能是使得立管疲劳损坏的原因之一;随着质量比由小到大变化,顺流向运动对横向运动的影响逐渐减小。两自由度振动响应及尾涡模式同单自由度振动出现明显差异的临界质量比约为m~*=3.5。


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