改进的离散涡方法及其在海洋平台涡激运动中的应用

发布时间：2017-08-07 11:27

  本文关键词：改进的离散涡方法及其在海洋平台涡激运动中的应用

  更多相关文章： 离散涡方法 海洋平台 高雷诺数 涡激运动

【摘要】：深水海洋平台是当前世界范围内进行深海油气矿产资源开发的主要海工装备,具有特征尺度大,作业海域深的特点。在海洋环境下,由于漩涡脱落海洋平台容易发生涡激运动(VIM)现象,使得与平台连接的锚链和立管等结构将承受更强的疲劳破坏,缩短疲劳寿命。自1996年被发现,VIM一直被视为海洋工程领域的研究热点与难点。基于流函数的DVM模型原理简明,易于数值实现,计算不受单元网格限制,在关心的涡量集中区具有很高的流场分辨率,可以用大时间步长模拟高雷诺数流场,尤其适用于研究海洋平台的VIM等问题。本文利用DVM模型,对低质量比Spar平台和深吃水半潜平台的VIM现象进行了数值模拟,旨在分析平台的VIM响应特性,并尝试从机理上解释VIM产生原因。为验证所采用的DVM模型的有效性,本文编写了基于Fortran语言的计算程序,对比了新生涡的不同布置方式对计算结果的影响、不同受力计算式的计算效果以及不同核函数在诱导涡团速度方面的差异,提出了防止涡团进入物体内的几何镜像法,讨论了DVM方法对单柱体和多柱体结构的不同处理方式。而后以固定圆柱和弹性支承圆柱为例,模拟了二维圆柱体在不同约束下的绕流特性和运动特征,通过与前人试验对比,证明本文所采用的基于涡量-流函数方程的DVM模型对于解决高雷诺数绕流问题行之有效。由于当前计算方法的限制,本文将选取的低质量比Spar平台和深吃水半潜平台做二维简化处理,对其在不同工况下的VIM响应特性进行数值研究,给出了平台尾流场结构、平台受力曲线、横荡与纵荡位移以及VIM运动轨迹,分析了平台的频率响应规律。通过对典型海洋平台二维模型的VIM研究,从流场结构、受力和位移变化的角度进一步加深对VIM特征和机理的认识。
【关键词】：离散涡方法 海洋平台 高雷诺数 涡激运动
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-19
• 1.1 课题背景及意义8-11
• 1.2 海洋平台简介11-12
• 1.3 国内外研究进展12-17
• 1.3.1 涡激运动的试验研究12-15
• 1.3.2 涡激运动的数值研究15-17
• 1.4 本文的主要工作17-19
• 2 柱体的涡激运动19-25
• 2.1 涡激运动概述19-20
• 2.2 涡激运动的特征20-22
• 2.3 与涡激运动相关的参数22-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 涡量-流函数离散涡方法25-33
• 3.1 离散涡方法概述25-28
• 3.2 控制方程28-29
• 3.3 随机刚性涡模型29-31
• 3.4 边界条件31-32
• 3.5 本章小结32-33
• 4 离散涡方法的数值实现33-53
• 4.1 物面边界的离散33-35
• 4.1.1 初始点涡的布置方式33-34
• 4.1.2 物面控制点数的确定34-35
• 4.2 新生涡的脱落35-37
• 4.3 涡团的运动37-38
• 4.4 离散涡的特殊处理38-39
• 4.5 物体受力的计算39-42
• 4.6 物体运动的模拟42
• 4.7 多体结构的处理42-43
• 4.8 计算流程43
• 4.9 数值算例43-52
• 4.9.1 固定圆柱的泻涡模拟43-47
• 4.9.2 自激运动圆柱轨迹模拟47-52
• 4.10 本章小结52-53
• 5 典型海洋平台涡激运动特性的数值模拟53-72
• 5.1 深吃水半潜式平台的涡激运动模拟53-61
• 5.1.1 计算模型和坐标系定义53-54
• 5.1.2 深吃水半潜式平台静止绕流尾涡分析54-59
• 5.1.3 深吃水半潜式平台受力特性分析59-60
• 5.1.4 深吃水半潜式平台VIM横荡运动分析60-61
• 5.2 低质量比Spar平台的涡激运动模拟61-71
• 5.2.1 计算模型和计算工况61-62
• 5.2.2 尾流场漩涡结构62-63
• 5.2.3 Spar平台受力特性分析63-65
• 5.2.4 Spar平台运动响应65-69
• 5.2.5 Spar平台频率响应特性69-71
• 5.3 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

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