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柔性立管涡激振动试验与数值模拟

何长江  
【摘要】:随着能源需求的不断增长,海洋石油工业越来越向着深海进军,平台形式也由固定式平台发展为浮式平台。立管系统是浮式海洋平台的关键单元。海流经过立管产生的泻涡诱发交变的流体力,在一定条件下将引发柔性立管的大振幅运动(甚至共振),这是导致立管疲劳损伤的主要原因。考虑到在对抗涡激振动影响中的巨额投入,如果能对柔性立管涡激振动作出准确的预测并采取适当的措施,将大大降低其造价。 本文依托国家自然科学基金重点项目“大型结构与特殊环境动力相互作用的数值试验”(No. 50538050),旨在尝试借助计算流体动力学(CFD)建立柔性立管涡激振动的“直接的”时域预报模型。为了给数值模型的建立提供参考,同时进行了相应的试验研究。考虑到上部平台在风、浪等作用下的响应对于立管系统而言是一个运动边界(端部激励)的问题,在文中也就端部激励对柔性立管涡激振动的影响进行了研究。具体研究内容归纳如下: 1.设计了一套可以施加端部激励的试验装置,设置了以下4类试验工况:(a)分别在静水和空气中做了衰减试验,测量了立管模型在相应流体介质中的自振频率和模态阻尼比;(b)端部固定不动时,通过改变均匀来流速度,考察了柔性立管涡激振动的频率锁定,观察到振幅随折合速度的变化呈现连续的“三支”响应;(c)分别在静水和空气两种介质中,在一个端部施加简谐运动激励,其中简谐运动的振幅和频率有多组变化,以考察各种振幅-频率组合下的响应;(d)在均匀来流中施加端部激励以模拟上部平台在风、浪作用下的运动,联合了(b)和(c)中所有可能的工况,并以(b)和(c)的试验结果为参考,分析了端部对柔性结构涡激振动的影响。 2.成功的将重叠网格应用于运动边界的处理,并结合有限体积法(FVM)和任意拉格朗日欧拉法(ALE)实现了流场、结构场和网格场三场的耦合,从而建立了高效率、少限制的二维圆柱涡激振动的数值计算模型。用C++和MATLAB混合编程实现了相应的计算程序VIV2D。该模型的最大优点是几乎不受运动方向和位移大小的限制,也不需要因为边界的运动而重新划分网格,只需给运动边界寻找贡献单元即可,因而非常容易实现流向和横向两个自由度的涡激振动模拟,从而考察流向振动对横向涡激振动的影响;也非常容易实现强迫振动的模拟,从而考察均匀来流中强迫振动和自激振动的区别和联系。通过对二维圆柱涡激振动的计算,对涡激振动无量纲振幅进行了影响参数(质量-阻尼联合因子、折合速度、雷诺数)分析。 3.基于“切片”理论和先前建立的二维圆柱涡激振动计算模型,结合柔性结构动力有限元(FEM)分析,实现了柔性立管涡激振动的“准三维”模拟,即在每一个结构单元中点处布置一个二维流场,在当前时间步上求解各单元所受的流体作用力,然后集成总的荷载向量,用以求解下一个时间步上的结构总体响应,根据总响应改变各二维流场中的固体边界条件。最后编制了分析程序RISER。主要考虑两种工况:(a)均匀来流中立管涡激振动模拟,根据与试验结果的比较,验证了这种柔性立管涡激振动计算模型的正确性;(b)在上一种工况下增加端部激励,同样与相应的试验结果进行了比较分析。 本文的研究工作涉及涡激振动的诸多方面,在一定程度上增强了对于涡激振动尤其是柔性立管涡激振动的理解;试验和数值模拟中考虑了比较真实的柔性立管边界条件,对于建立更精确的涡激振动时域预报模型做了很有价值的尝试,对今后该领域的研究工作提供了有益的参考。


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