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低雷诺数下波浪形柔性立管的涡激振动数值模拟研究

潘羲丰  
【摘要】:近年来人类的科技水平飞速发展使得能源需求量日益增长。而陆地石油储藏量在多年的开采下越发稀少,开发利用深海石油资源显得更为重要。海洋立管作为连接海底资源与海上作业平台的主要连接件,其振动响应的研究是国际学界与海洋工程中关注的热点之一。当柔性立管置于一定速度的来流下时,立管的尾流区会发生泄涡脱落的情况,泄涡的振动与立管的振动相互影响进而产生涡激振动响应(Vortex Induced Vibration,简称VIV)。涡激振动响应是立管的力学性质中的一大重要特性,系统的结构破坏也常常源于立管的涡激振动导致的疲劳损伤。影响涡激振动的因素诸多,如来流速度、来流方向、立管刚度、截面形状、立管群的相互影响等均会影响到立管的涡激振动响应。其中,截面形状的变化可能性诸多,不同的截面形状可能会引起完全不同的立管动态特性。本文着重考察截面沿正弦曲线变化的立管在低雷诺数下的振动响应,具体工作如下:1、本文通过考察一段满足周期性条件的立管响应来模拟无限长柔性立管的响应。鉴于高雷诺数下响应较为复杂,本文优先考虑低雷诺数下的情况,选取的雷诺数Re=100。本文运用ubuntu系统下的nektar++软件进行计算。2、选取一段固定长度4π,给予一个周期的初始驻波扰动或是初始行波扰动。考察截面沿正弦波动的形式对于立管振动响应的影响和变化。其中,截面正弦变化的参数主要包括正弦波的波长和振幅。对比分析不同的波长和振幅下的响应,并将其与已有结果中固定截面的细长柔性立管响应进行对比,进而得到截面变化对响应的影响。结果表明,在固定长度下,截面的变化对于振幅的影响十分有限3、立管振动的响应主要形式为行波和驻波。通过给出不同的初始条件,考察不同初始条件下,不同截面的立管对于行波和驻波的响应变化特性。4、选取变化的长度,同样给予一个周期的初始扰动。考察变化长度下,变截面立管振动的响应和变化。结果表明,当长度发生变化时,振幅变化较大,出现了更多的变化响应。


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