收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

海洋立管绕流场及涡激振动的二维和三维数值模拟研究

郑瀚旭  
【摘要】:我国正处在海洋油气勘探开采的高速发展期,深海油气勘探开发设备尤其是深海平台立管中的涡激振动(VIV)是在设备的安全设计、使用、维护中必须考虑的因素。海洋工程中使用的隔水管/立管的VIV问题属于复杂非线性大长径比结构物的流固耦合问题,长期以来此问题受到了工业界和学术界的持续关注而没有得到彻底解决。本文不对实际工程中使用的立管与隔水管等管道进行区分,均称为立管或隔水管。由于难以利用实验手段研究实际尺寸隔水管的VIV响应,数值模拟方法成为了此类问题的主要研究手段。国内外常用的基于实验测得的流体力的半经验VIV预报模型由于不能考虑流固耦合效应,在亚临界区域及更高雷诺数的条件下的适用性存在不足。使用计算流体力学(CFD)方法则可以对流固耦合过程进行完整模拟,适用范围更大,预报结果也更为精确。然而,国内缺少自主的基于CFD的大长径比隔水管/立管的涡激振动算法及其分析软件。另一方面,在实际工程应用中,整流罩作为涡激振动抑制的常用设备而受到普遍关注。然而目前缺乏对这类设备的VIV抑制机理的系统化研究,对于某些条件下这类设备可能给立管结构带来的驰振效应也鲜有研究。本文在王嘉松等基于速度向量转化(EVVT)及有限体积(FVM)总变差减小(TVD)求解器的基础上,进一步自主开发了用于模拟二维、三维立管流固耦合(FSI)问题的求解器,进而对二维、三维立管的VIV响应进行了深入研究,并对整流罩设备的立管振动抑制效果和机理进行了系统分析。本文的主要研究工作如下:(1).以雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程和SST k-ω湍流模型作为流动控制方程。采用TVD-FVM方法对模型进行求解,构造了二维有量纲流场模拟求解器。使用任意拉格朗日欧拉法(ALE)将二维流场模拟求解器扩展并结合立管动力学响应方程,构造了二维流固耦合问题求解器。不同于传统的SIMPLE类方法,本文通过添加拟可压缩系数的方法将流体密度与压力相联系,把压力变量引入了连续性方程并通过TVD-FVM方法对压力场和速度场进行整体时间推进求解。采用典型雷诺数下固定单圆柱绕流的算例对二维流场模拟求解器进行了验证,得到的升、阻力系数及斯特劳哈数等流场参数均符合经典实验结果。使用经典单圆柱VIV实验研究结果对二维流固耦合问题求解器的准确性进行了验证,模拟结果与实验圆柱的横流向位移振幅和振动频率的一致性良好。并正确捕捉到了不同约化速度条件下的尾涡脱落模式和立管振动与尾涡脱落之间的相位差。(2).使用二维流场模拟和流固耦合问题求解器对整流罩的流场控制机理和VIV抑制效果做了系统分析。对一类整流罩在不同来流速度和不同攻角的条件下的流场模拟表明:来流攻角会对特征长度较大的整流罩的尾流控制效果以及流体力控制效果带来很大影响;特征长度较小的整流罩在不同来流攻角条件下的流体力控制和尾流控制效果更加稳定。对附加整流罩的立管结构在不同来流速度下的振动模拟表明:固定整流罩虽然对“锁定区”约化速度区间内的立管VIV有一定的抑制效果,但在更高的来流速度下,会带来更为剧烈的驰振响应。本文首次使用数值模拟手段对近期实验中发现的整流罩带来的驰振响应进行了准确的重现。在此基础上,进一步研究了拥有不同特征长度和不同形状的整流罩在不同约化速度下的驰振响应。研究发现,特征长度是决定整流罩驰振振动幅度以及驰振响应是否发生的关键参数,特征长度较大的整流罩会在更广泛的来流速度区域内引起剧烈的驰振响应。(3).针对大长径比而拥有大部分沿轴向一致的横截面形状的三维流场模拟问题,使用算子分裂方法对三维流场模拟求解器进行了专门的优化。此方法在水平面内采用二维TVD-FVM数值方法求解,在垂直方向内采用类似一维TVD差分的数值方法求解,可以减小求解三维方程所需的计算量,同时也不必像通用的三维CFD程序一样进行复杂的三维动网格信息的处理。在此基础上所建立的三维流固耦合问题求解器可以快速对深水柔性立管的流固耦合问题进行模拟。使用OPENMP对FORTRAN代码进行了并行化处理,进一步提升了计算效率。利用渠道流中固壁上固定圆柱和固定方块绕流场的模拟算例对求解器的准确性和计算效率进行论证。表明当前的三维CFD代码可以准确捕捉流场中的马蹄涡等三维涡结构,且本文中的三维CFD程序得到了略优于CFX的流场模拟结果,而模拟所消耗的时间相对CFX减少了约1/3。采用MARINTEK水池中的标模柔性立管实验结果以及帝国理工学院的拖曳水池中得到的柔性立管实验结果对本文中的三维流固耦合模拟程序进行了验证。结果表明,本文的三维流固耦合模拟程序能够正确捕捉立管振动表现出的模态阶数、响应振幅和运动轨迹,三维柔性管道的双关共振现象也得以正确捕捉,立管各处的流场特征也得到了正确模拟。


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