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多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究

高洋洋  
【摘要】:多柱(管)系统作为深海油气开采中普遍采用的一种结构形式,在海洋工程中得到了广泛的应用,由于其排列密集,极易在波、浪、流等联合作用下发生相互碰撞,造成破坏,对多柱(管)体系统的静止绕流及耦合共振现象的研究越来越受到海洋工程界的关注。由于技术需求和经济考虑,在海底管线铺设过程中往往采用直径不等的多柱(管)体系统,然而目前对于直径不等的多柱(管)体系统静止绕流与由此诱发的振动等诸多问题尚未得到深入地研究,针对该情况,本文采用物理模型试验与数值模拟相结合的方法开展了直径不等的多柱体系统的静止绕流及涡激振动现象的研究,本文研究工作可为海洋工程中直径不等的多柱体系统的优化设计提供试验依据。 通过粒子图像测速(PIV)技术开展了直径不等的多柱体在静止绕流及涡激振动情况下的时均、瞬时尾流特征的试验研究,获得了瞬时的速度矢量、涡量等值线及时均的速度矢量、流线拓扑、涡量等值线、无因次雷诺应力等值线等,探讨了间距比对直径不等的多柱体后的时均、瞬时尾流形态、旋涡脱落频率、涡激振动振幅等的影响,从可视化的角度揭示了直径不等的并列圆柱中出现的间隙流交替偏斜现象的产生机制。 通过计算流体力学(CFD)技术对直径不等的多柱体静止绕流及涡激振动现象进行了数值模拟研究。在直径不等的多柱体静止绕流的数值研究中,主要分析了直径不等的并列圆柱在大间距条件下瞬时流场中同相位与反相位旋涡交替脱落的演化过程,总结了该现象的产生原因;研究了直径不等的串列圆柱后的双稳态流现象。在串列下游小直径圆柱的涡激振动的数值研究中,主要分析了不同间距条件下的串列圆柱的升力系数、振幅的时程曲线及两柱后的瞬时尾流形态。 通过物理模型试验及数值模拟研究发现间距对直径不等的多柱体后的尾流特征有很大影响。直径不等的并列双柱在不同的间距下存在不同的尾流形态:偏态流形态及不同尺度的旋涡脱落形态。直径不等的串列圆柱在不同间距下的尾流形态可分为单一旋涡脱落、双稳态流及双旋涡脱落形态,其中双稳态流发生的间距范围与上、下游圆柱的直径比有关,其范围随着上、下游圆柱直径比的增大而减小。在串列下游小直径圆柱涡激振动研究中发现间距对上、下游圆柱的结构动力响应、尾流形态会产生一定影响。随着间距的增大,下游振动圆柱的振幅逐渐增大,上、下游圆柱后的旋涡脱落频率也逐渐增大。


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