海洋立管涡致耦合振动CFD数值模拟研究

【摘要】：本文基于计算流体力学（CFD）与计算结构动力学（CSD）方法，对圆柱体的涡激振动响应进行数值模拟，研究不同工况下柱体受力系数、振动幅值以及尾流漩涡脱落模式等变化规律，探索海洋立管的涡激振动机理；并进一步研究带抑振装置圆柱体的涡激振动及抑振效果；在此基础上，对多个圆柱体涡激振动的干涉问题进行了数值模拟研究；最后对深水立管结构进行准三维涡激振动数值模拟。具体内容如下： 1、流体—圆柱体结构耦合振动数值模拟方法研究 在总结分析国内外对CFD流固耦合研究现状的基础上，本文考虑了涡激振动参数并结合CFD方法，建立流固耦合系统的涡致振动无量纲数值模型。选择SST k模型模拟流场变化，同时采用Newmark-β法控制柱体边界的运动。最后给出流固耦合求解的具体实现方法，确定流固耦合数值模拟的求解流程，并编制相应的计算程序。 2、单圆柱体涡激耦合振动数值模拟 首先，以单圆柱体为基础建立了单柱体涡激振动CFD数值模型，并编制fsi-xy.c结构运动程序。通过得到的受力系数与振幅变化规律，分析圆柱体在流体作用下的运动规律。给出尾流涡结构，揭示柱体振动与漩涡脱落模式间的关系。 3、带抑振装置柱体涡激耦合振动数值模拟 应用流体—柱体结构耦合振动数值模拟方法研究带抑振装置单柱体的二维涡激振动响应。分别建立尾翼为14mm、10mm的带三角导流板柱体以及带板状导流板柱体的流固耦合数值模型，并根据流固耦合系统求解流程对其进行模拟。分别将模拟得到的带抑振柱体振动幅值与受力系数的变趋势、振动响应时程曲线、质心运动轨迹以及不同截面柱体尾流漩涡脱落模式等结果与单圆柱体模拟结果进行比较，分析不同抑振装置的工作原理。 4、群柱体系干扰效应数值模拟 针对实际海洋工程中常见的串联与并列两种形式圆柱体进行涡激振动数值模拟。分别建立柱间距比L/D=3~10串联排列，以及柱距比G/D=5~10的并列排列两圆柱体流固耦合数值模型，编制fsi-2c-xy.c结构运动程序，并采用特殊宏同时控制同一时间步内的两柱体的运动。通过求解雷诺数范围为6300~18000时流体与柱体的耦合响应，分析不同排列形式下，柱间距比与流速对两柱体横向与顺流向振幅、受力系数以及质心运动轨迹的影响规律。结果表明：两种排列方式的干扰效应明显不同。 5、立管结构准三维涡激振动数值模拟 为更准确的模拟立管在诸多因素（如雷诺数，结构性质，流体作用等）的影响下的复杂耦联振动，同时为避免三维流场模拟计算量大、结果不易收敛等缺点，本文以静力等效为基础，将三维结构与二维流体相结合，建立准三维涡激振动流固耦合数值模型。将两端固定连接的立管简化为多质点模型，各质点在二维平面上均被视为弹簧—阻尼模型，弹簧刚度基于静力等效计算得到。分别对各质点进行二维流固耦合模拟，最终得到立管结构整体的涡激振动响应。 最后，进行立管涡激振动无比尺实验，以验证建立的准三维数值模型。通过对比立管涡激振动物理模型实验与数值分析结果发现，两者得到的结构振动响应的变化规律基本一致。