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内孤立波与深海立管相互作用数值模拟研究

刘碧涛  
【摘要】:随着陆地和浅海石油资源开采产量的逐步稳定,世界各国均开始将石油资源开采的触角伸向深海海域,与此同时,海洋结构物所面临的海况也将更加恶劣。海洋内波便是其中具有代表性的一种恶劣海况。海洋内波具有振幅大、持续时间长等特点,在特定条件下会对海洋结构物造成巨大的破坏。 内孤立波与海洋结构物的相互作用具有很强的非线性,特别是与大长径比挠性部件,如深海立管等,其非线性作用将不可忽略,此时,这类问题将不能再用线性理论来解决。因此,本文采用数值方法来研究内孤立波与深海立管的相互作用,以期为解决这类强非线性问题提供一种可行的解决方法。 本文首先回顾和总结了国内外有关内孤立波理论的研究现状。在此基础之上,对内孤立波与深海立管的相互作用问题开展了以下几方面的工作: 一,根据内孤立波mKdV理论,以RANS方程为控制方程,结合k ??湍流模型和VOF方法,采用速度入口作为入口边界条件建立了内孤立波数值水槽。 二,利用上文所建立的内孤立波数值水槽,研究了内孤立波与大长径比深海立管相互作用时的受力特性,并对立管在内孤立波作用下的受力变化、立管周围流场分布和压力随时间变化的情况进行了显示。 三,将内波与立管相互作用得到的时历载荷作为结构有限元软件ABAQUS的时变载荷,采用基于薄壳理论的有限元方法,对深海立管在内孤立波作用下的动力响应特性进行了研究。 四,运用基于Morison公式求解内孤立波载荷的工程简化方法,结合考虑内流的细长杆件动力学方程,给出了立管的运动控制方程,并编制有限元程序对方程进行求解,研究了表面波、内孤立波和非均匀海流与顶张紧深海立管相互作用时立管的位移变化情况。 研究表明,当内孤立波经过立管时,立管会产生大尺度变形,同时还会在两端产生应力集中现象,所以在实际工程应用中考虑内孤立波对立管的影响是十分必要的。


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