收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

海洋结构中多圆柱流动干涉与涡激振动特征研究

吴文波  
【摘要】:由于人类对原油的依赖越来越大,陆上石油的开采进度逐渐不能满足工业发展的需求。油气勘探开发开始由陆上走向海洋,由浅水走向深水。在海上油气开采中,隔水管是连接海上作业平台和海底油气井的重要设备。在波浪和洋流的持续作用下,隔水管可能因为涡激振动(Vortex Induced Vibration,VIV)而遭到破坏,并造成严重的经济、生态和生命损失。因此,隔水管尤其是多管柱的流体动力学和涡激振动研究具有重要的学术价值和工程意义。本文以钻井隔水管为工程背景,对海洋结构中多圆柱流动干涉和涡激振动特征进行了深入研究,主要研究工作如下:(1)通过嵌入多圆柱运动求解模块并修改动网格求解模块,完成了OpenFOAM的二次开发,得到了适用于多圆柱涡激振动模拟的求解器。在此基础上,对大量经典单圆柱和双圆柱绕流以及涡激振动问题进行了模拟。通过与前人实验或数值结果的对比充分验证了本文数值模型和方法的可靠性。(2)对正服役于南海油气开发的实尺寸钻井隔水管的绕流进行了模拟。分析了来流方向对隔水管水动力学特性的影响,初步认识了多尺寸、不规则排列多圆柱系统的水动力学特征,为进一步的模型简化提供了依据。研究发现,附属管能有效抑制主管上的漩涡泄放,并降低主管的升阻力系数。当多根附属管位于主管的下游时,主管上的漩涡因为附属管的夹持而不能泄放,因此主管的升阻力系数能被更有效地降低。采用同步运动圆柱系统建立了含附属管的隔水管系统的涡激振动模型,分析了附属管对隔水管涡激振动特征的影响。实尺寸钻井隔水管的涡激振动中不出现上支(upper branch),且振幅远小于单圆柱的振幅。当多根附属管位于主管的下游时,隔水管系统几乎保持静止。(3)通过在主圆柱附近布置一根尺寸较小的控制杆,建立了含单一控制杆的圆柱系统模型,模拟并讨论了控制杆和主圆柱之间的干涉效应。单一控制杆对主圆柱上绕流特征的影响大致可以分为4个区域:在间隙比和位置角都较小(如G/D0.7和α50~o)时,主圆柱的升阻力系数被显著降低;在间隙比较大(G/D0.2)且位置角在110~o附近时,主圆柱的升阻力系数稳定在单圆柱的升阻力系数附近;在位置角接近180~o时,控制杆能一定程度地降低主圆柱的升阻力系数,但作用效果随位置参数的变化较小;在间隙比较小(G/D0.2)且位置角接近110~o时,控制杆能显著增大主圆柱的升阻力系数。采用同步运动圆柱系统模型模拟了含串列控制杆的圆柱系统的涡激振动。上游串列控制杆不影响圆柱系统涡激振动振幅随约化速度的变化趋势,但能降低圆柱系统的最大振幅。下游串列控制杆能使圆柱系统的涡激振动呈现亚谐共振。圆柱系统的涡激振动中出现了不连续的多个锁定区间,且第二锁定区范围随间隙比的增大而减小。(4)通过在含单一控制杆的圆柱系统模型中附加一根相同尺寸的控制杆,建立了含双控制杆的圆柱系统模型,分析和讨论了不同排布双控制杆(模型1:上游串列控制杆和错列控制杆组合;模型2:下游串列控制杆和错列控制杆组合;模型3:两对称控制杆组合)对主圆柱流体动力学特征的作用效果。模型2中控制杆在间隙比较小(G/D1)时能显著降低主圆柱的升阻力系数,且效果不随位置角的变化而明显改变,更适用于对主圆柱上升阻力系数的抑制。模型1中双控制杆对主圆柱上流体动力学特征的影响可视为单一控制杆作用效果的线性叠加;在其余两种模型中,双控制杆能产生附加效果,即双控制杆的影响机理与单一控制杆有明显差异。采用同步运动圆柱系统模型模拟了含双控制杆的圆柱系统的涡激振动。含双控制杆的圆柱系统能发生亚谐共振,且间隙比越小,亚谐共振响应越明显。在三种模型中,控制杆都能在G/D0.290~oα135~o范围内增大圆柱系统的最大振幅,但模型2(增大为单圆柱最大振幅的285.9%)和模型3(增大为单圆柱最大振幅的310.3%)中控制杆的效果明显优于模型1(增大为单圆柱最大振幅的141.4%)中控制杆。模型1和模型3中控制杆都能在G/D0.415~oα55~o区域内有效降低圆柱系统的最大振幅,但模型3(降低为单圆柱最大振幅的1.4%)中控制杆的效果明显优于模型1(降低为单圆柱最大振幅的39.9%)中控制杆;模型2中控制杆在50~oα90~o0.6G/D1.5和α165~o0.45G/D1.6范围内能有效降低圆柱系统的最大振幅(降低为单圆柱最大振幅的43.8%),但效果不如模型1和模型3中控制杆。(5)对比不同控制杆模型(单一控制杆、模型1、模型2和模型3)对主圆柱上流体动力学特征和圆柱系统涡激振动响应的作用效果,可总结控制杆的作用规律如下:1.单一串列下游控制杆和双控制杆都能使圆柱系统的涡激振动发生亚谐共振。2.双控制杆的作用效果在任意位置参数下都比单一控制杆的作用效果更明显。3.模型3中双控制杆的作用效果与单一控制杆有明显差异,能够更显著地增大或降低圆柱系统的涡激振动最大振幅。4.边界层控制法能有效增大圆柱系统涡激振动的锁定区范围和振动幅值;剪切层控制法对圆柱系统涡激振动的影响与边界层控制法相似,但效果不如后者明显,且在间隙比较小(如G/D=0.3)时能有效降低圆柱系统的涡激振动振幅;来流控制法能降低圆柱系统涡激振动振幅,但效果不如其余控制法明显;尾流稳定性控制法能使圆柱系统的涡激振动出现多个不连续的锁定区。(6)以张力腿(TLP)平台上多套隔水管系统为工程背景,采用四阵列圆柱系统对相邻井口上的隔水管进行了建模,分析了静止阵列圆柱之间的流体干涉效应。各圆柱上的升阻力系数在G/D1时呈现明显的周期性,且各圆柱的泄涡周期相等。并列圆柱的流体动力学变量在G/D1范围内始终关于中线对称。串列圆柱上升阻力系数的相位关系与间隙比有关,分别可能呈现同相、异相和反相特征。上游圆柱的流体动力学特征随间隙比的变化较小,下游圆柱的升阻力系数随间隙比的变化较明显。采用独立运动的四阵列圆柱系统模拟了张力腿平台上相邻隔水管的涡激振动特征。上游圆柱的响应随间隙比的变化不明显。在约化速度较小(U_r14)时,下游圆柱的响应随间隙比变化较小;在约化速度较大(U_r14)时,下游圆柱的涡激振动特征随间隙比变化较明显,且横流向振幅随间隙比的增大而减小。上下游圆柱的涡激振动响应在本文研究的间隙比范围内没有本质的区别,且最大振幅相差不大。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前17条
1 曹素功;张勇;畅卫杰;徐世桥;田浩;;基于监测大数据的涡激振动影响因素分析[J];桥梁建设;2019年01期
2 王贵春;;水流作用下圆柱体的涡激振动分析[J];科学技术与工程;2007年01期
3 刘健新;桥梁对风反应中的涡激振动及制振[J];中国公路学报;1995年02期
4 王志国;陈启富;李维扬;;关于涡激振动的研究[J];船工科技;1986年03期
5 王志国,陈启富,李维扬;波浪流中圆柱杆的涡街发放和涡激振动[J];哈尔滨船舶工程学院学报;1988年03期
6 赵连惠;;结构涡激振动的理论计算方法实验研究通过部级评审[J];应用科技;1988年04期
7 王志国,陈起富,李维扬;弹性圆柱杆在漩涡激励下的流-固耦合振动响应计算[J];哈尔滨船舶工程学院学报;1989年03期
8 董乐善;;斜拉桥缆索涡激振动问题探讨[J];长安大学学报(自然科学版);1989年03期
9 徐万海;吴应湘;胡松涛;杜杰;;刚性圆柱结构顺流向涡激振动特性分析(英文)[J];船舶力学;2012年09期
10 恽秋琴;艾尚茂;孙丽萍;;海底多跨管道涡激振动疲劳简化分析[J];中国造船;2010年04期
11 闵建琴,宋峥嵘,唐友刚,谷家扬;隔水套管波流联合作用下涡激振动计算[J];中国海上油气.工程;2003年03期
12 周威;丁飞鹏;徐诚侃;;含张力柔性管道的涡激振动计算方法[J];科技通报;2019年04期
13 王坤鹏;薛鸿祥;唐文勇;;线性剪切流中深海立管顺流涡激振动响应及疲劳损伤研究[J];振动与冲击;2013年19期
14 娄敏;郭海燕;董文乙;;敲击对海洋立管涡激振动抑制作用的试验研究[J];水动力学研究与进展A辑;2007年04期
15 孟昭瑛,杨树耕,王仲捷;水下管道涡激振动的实验研究[J];水利学报;1994年07期
16 李小超;周熙林;赵利平;;质量比和阻尼比对高阻尼涡激振动的影响[J];船舶力学;2018年02期
17 徐万海;许晶禹;吴应湘;;圆柱结构顺流向第一不稳定区内涡激振动的研究[J];水动力学研究与进展A辑;2013年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王琳;;内流速度对管道涡激振动响应的影响研究[A];第六届全国动力学与控制青年学者学术研讨会论文摘要集[C];2012年
2 王琳;;非线性涡激振动及其能量利用的几个问题讨论[A];第七届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2013年
3 王哲;邓迪;万德成;;变张力作用下张紧式立管涡激振动的数值模拟[A];第二十九届全国水动力学研讨会论文集(上册)[C];2018年
4 李加武;周建龙;陈飞;;涡激振动下模型表面压力系数的雷诺数效应[A];第十四届全国结构风工程学术会议论文集(上册)[C];2009年
5 王艺;陈伟民;林缅;;锁频阶段涡激振动圆柱的附加质量研究[A];2006年度海洋工程学术会议论文集[C];2006年
6 葛斐;王雷;洪友士;;水中悬浮隧道锚索非线性涡激振动的研究[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文摘要集[C];2007年
7 邓迪;付博文;万德成;;振荡流下细长柔性立管涡激振动数值分析[A];第十四届全国水动力学学术会议暨第二十八届全国水动力学研讨会文集(下册)[C];2017年
8 彭赛;熊永亮;;粘弹性流体涡激振动数值模拟研究[A];第十一届南方计算力学学术会议(SCCM-11)摘要集[C];2017年
9 付博文;端木玉;万德成;;平台横荡运动下柔性立管涡激振动的数值模拟[A];第十四届全国水动力学学术会议暨第二十八届全国水动力学研讨会文集(下册)[C];2017年
10 胡世良;鲁传敬;潘展程;秦楠;;基于分块紧耦合方法的流-固耦合运动的数值模拟[A];第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源诞辰110周年纪念大会文集(上册)[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吴文波;海洋结构中多圆柱流动干涉与涡激振动特征研究[D];上海交通大学;2017年
2 郑瀚旭;海洋立管绕流场及涡激振动的二维和三维数值模拟研究[D];上海交通大学;2017年
3 蔡树龙;涡激振动发电装置的可靠性与风险评估[D];哈尔滨工程大学;2015年
4 宋汝君;圆柱型压电俘能器的流激振动及其发电性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
5 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
6 吴浩;多根控制杆对细长柔性立管涡激振动抑制作用的实验及数值研究[D];大连理工大学;2013年
7 喻梅;大跨度桥梁颤振及涡激振动主动控制[D];西南交通大学;2013年
8 秦伟;双自由度涡激振动的涡强尾流振子模型研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
9 邓跃;低雷诺数下均匀流和振荡流共同作用的圆柱体受迫振动和涡激振动研究[D];中国海洋大学;2014年
10 刘名名;波浪作用下海底管道振动与局部冲刷耦合作用数值研究[D];大连理工大学;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王继元;随机波浪和海流作用下立管涡激振动疲劳寿命评估[D];浙江工业大学;2018年
2 王建超;悬浮隧道锚索涡激振动分析[D];郑州大学;2019年
3 阿米尔(IVO AMILCAR V. C. M. TEIXEIRA);基于海豹胡须的仿生柱体涡激振动研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
4 任晓鹏;圆柱振荡尾流与涡激振动的被动吹气控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
5 李华阳;大跨度悬索桥吊杆涡激振动响应分析[D];郑州大学;2018年
6 吴拓;斜拉桥π型主梁断面涡激振动性能的人工智能识别[D];长安大学;2018年
7 张亮亮;基于Overset Mesh典型桥梁断面涡激振动数值模拟[D];长安大学;2018年
8 段圭粤;前缘分离涡脱对钝体涡激振动的影响[D];哈尔滨工业大学;2018年
9 陈辉志;张力腿漂浮式海上风机结构的涡激振动特征及强度研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
10 张昌宇;涡激振动压电能量收集器的设计与性能分析[D];沈阳化工大学;2018年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978