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考虑流固耦合的大位移柔性立管涡激振动研究

顾恩凯  
【摘要】:海洋立管的涡激振动一直是海洋工程界最为关注的问题,这是由于立管对于海上油气开发的重要性以及它所处环境条件的恶劣性决定的。立管一旦破坏会造成巨大的经济损失和环境污染,作为引起立管疲劳破坏的最重要因素,涡激振动一经提出就受到了产业界和学术界的关注,通过几十年的研究,人们对涡激振动有了较为全面的了解,但是目前为止还无法完全满足实际工程的需要。 人们在研究立管涡激振动动力响应的时候常常采用线性化处理方式,这与涡激振动固有的非线性相互矛盾,比如常用的立管分析软件Orcaflex,在计算涡激振动时不考虑立管与流体的流固耦合作用,这种线性化处理方式虽然使计算的效率大大提高,但是准确性值得怀疑。某些情况下,如近海油气开发采用的立管长度较小,遭受的海流速度较小,立管的变形也较小,这时线性化处理是可以接受的。但是大多数情况下,特别是深海环境,立管的涡激振动常常呈现大变形、多模态、多自由度的特点,这种强非线性振动情况必须考虑立管的流固耦合作用。 本文中利用CFX软件中的动网格技术来实现对非线性耦合作用的模拟,主要的研究内容有以下几点:一、研究了不同雷诺数下刚性立管的扰流特性,通过与经典圆柱扰流试验结果对比验证了模型的正确性,并研究了考虑流固耦合作用时,涡激升阻力在不同雷诺数范围内的变化规律;二、重点研究了在质量比为7和3.24时,两向振动幅值、升阻力系数等动力响应随约化速度的变化规律;三、目前,在利用物理模型试验进行研究时,大部分是基于重力相似准则,本文通过改变流体的属性,探索同时满足重力相似和雷诺相似准则的涡激振动特性。 本文对立管涡激振动的涡旋脱落模式、不同质量比下的两向位移响应,特别是大位移运动对流场的影响,进行了较为深入的分析和研究,对考虑流固耦合的立管涡激振动研究有一定的参考意义。


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