隔水管及附属整流罩涡激振动的流固耦合模拟研究

【摘要】：伴随着能源危机的挑战和陆上石油资源的日益枯竭,我国未来深水海洋油气勘探开发成为必然发展趋势。隔水管作为保障深海油气勘探开发正常运行的关键部件必然涉及涡激振动引起的安全问题,对其涡激振动发生的机理以及抑制技术的研究具有重要的理论和实际的意义。 本文在对隔水管涡激振动现象分析的基础上,对涡激振动相关动力学响应规律进行了总结,并通过在CFD软件中嵌入求解隔水管涡激振动动力学响应方程的模块实现流固耦合,用来在较大约化速度范围内对小质量比、低阻尼情况下的隔水管涡激振动进行数值模拟,从而认识到隔水管涡激振动相关机理,得到涡激振动发生时隔水管受力、振幅以及旋涡脱落的相关结果,通过与经典实验以及其他数值模拟结果的对比证明本文计算方法的正确性和可靠性。 通过对隔水管质量比和阻尼比影响的研究表明:随着质量比和阻尼比的增加,涡激振动所产生的升阻力及隔水管振幅逐渐减少,涡激振动强度逐渐减弱。 最后将秃隔水管的相关流固耦合研究方法推广到隔水管涡激振动抑制措施整流罩的研究中,首次实现了对附加不同尺寸整流罩的隔水管的涡激振动模拟。结果表明附加整流罩后隔水管受力、振幅均会下降,附加整流罩能够对隔水管涡激振动起到很好的抑制作用,并且随着整流罩顶部角度的减少抑制效果逐渐增加,从而认为本文中顶角45°整流罩对涡激振动抑制效果最好。接着通过对抑制效果及整流罩尺寸增量的综合分析,选定顶角为60°的整流罩为考虑附加整流罩尺寸和成本时的最佳整流罩。