圆柱绕流及立管涡激振动数值计算分析

发布时间：2017-09-04 12:32

  本文关键词：圆柱绕流及立管涡激振动数值计算分析

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【摘要】：近年来国际社会对石油的需求持续增长,对石油的开采将是人类在未来长时间内工业发展一个核心方向。随着陆上可开采油田的数量越来越少,同时海洋石油资源的分布逐渐被发现,海洋石油开采将成为未来原油产量的主要来源,所以对海洋石油的开采毫无疑问是大势所趋。海洋石油开采的核心技术之一是立管系统的设计及制造,在海洋石油的开采过程中,立管系统扮演着及其关键的角色,因为它是连接海底生产系统和海上浮式平台的结构,除了作为输油管道外,立管还负责石油开采平台辅助线的支撑、辅助指导钻井或修井机相关工具通往海底井口、浮体平台回注非原油类流体至海底井口的传输导管等诸多内容。当前国际上立管系统设计核心技术仅掌握在欧美少数国家,然而我国“十一五”规划的提出明确了我国大力发展并研究海洋石油开采技术的决心。海洋立管系统设计离不开对立管涡激振动的研究,在复杂海洋环境载荷作用下,其尾流区域会出现持续生成和脱落漩涡,研究表明这类漩涡将会致使立管受到周期变化的流体力作用。若系统的固有震动与该流体力的频率大致接近,它将会进入一个“涡激共振”状态,长时间的共振将会加速立管的断裂,导致结构提前损坏,甚至可以引起石油泄漏事故。本文首先概述海洋平台立管分类,接着详细综述涡激振动的概况。同时通过阐述流体流动特性及其控制方程,研究了圆柱尾流区域漩涡产生与脱落的机理,并从本质上解释了涡激振动现象。通过流体控制方程的建立,即著名的纳维尔-斯托克斯方程,本文详细介绍了目前工程上对涡激振动研究应用较为广泛的数值求解方法,尤其是RNG k??模型和SST k??模型。通过计算分析二维的弹性支撑条件下的刚性圆柱受迫振动,得出较优湍流模型,并深入分析了仿真计算结果与涡激振动现象的本质关系;在前文的研究成果下,借助Ansys和Fluent,计算并分析了三维立管的涡激振动响应特征,同时通过研究立管不同的结构参数对涡激振动响应的影响给出了具有一定工程参考价值的研究结论。
【关键词】：海洋立管 涡激振动 圆柱绕流 流固耦合 切片理论
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 引言10-11
• 1.2 海洋平台立管分类11-14
• 1.3 涡激振动研究现状14-17
• 1.4 本文主要工作17-18
• 2 流体控制方程与涡激振动机理18-28
• 2.1 流体流动特性及其控制方程18-22
• 2.2 涡激振动机理22-24
• 2.3 涡激振动基本参数24-28
• 3 涡激振动数值计算原理28-40
• 3.1 湍流数值模拟方法28-30
• 3.2 RANS方法求解N-S方程30-34
• 3.3 圆柱涡激振动数值仿真方法34-40
• 4 二维圆柱的涡激振动特性分析40-61
• 4.1 CFD数值计算模型40-42
• 4.2 二维固定圆柱绕流的数值计算结果42-47
• 4.3 不同湍流模型下的二维圆柱涡激振动数值计算分析47-53
• 4.4 SST k -ω 模型下的二维圆柱VIV数值计算结果53-61
• 5 三维立管的涡激振动特性分析61-73
• 5.1 三维立管模型简化61-63
• 5.2 三维立管涡激振动微分方程63-65
• 5.3 三维顶张力立管VIV仿真分析65-73
• 6 总结与展望73-76
• 6.1 本文工作内容总结73-74
• 6.2 未来的研究展望74-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-82
• 附录 硕士期间发表的学术论文82

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本文编号：791590