柔性立管流固耦合特性数值模拟研究

发布时间：2019-03-17 21:41

【摘要】：海洋立管是海洋工程中连接海底与海洋平台的重要运输部件，其作为一种细长结构，在海洋环境载荷作用下的受力与响应机理非常复杂。涡激振动是典型的立管动力响应现象，该现象一方面使得结构的受力复杂化，另一方面会使结构产生疲劳而降低可靠度，因此，涡激振动的机理和特性研究一直是海洋工程领域研究的前沿热门课题。近年来随着计算机技术的进步和软硬件水平的提高，国外学者开始尝试直接模拟三维海洋立管涡激振动。本文采用数值计算方法，在通用程序平台上，将CFD方法与FEM方法相结合，对一系列频率比（结构自振频率与固定圆柱绕流涡泄频率的比值）的弹性柱体进行二维涡激振动模拟，并对比单自由度与双自由度的二维涡激振动特性。在此基础上模拟三维涡激振动，对比不同来流情况下三维柔性立管涡激振动特性，并与二维涡激振动特性作对比。文中采用FLUENT作为流场的求解器，用LES方法模拟二维、三维涡激振动的流场；同时，采用ANSYS作为立管结构动力响应的求解器，用有限元方法模拟立管的动力响应。本文基于Workbench平台，由一种全新瞬态强耦合方法实现双向流固耦合中流固耦合面数据的无缝交换传递。本文通过二维涡激振动模拟，由于双自由度模型考虑了来流向位移响应，通过比较单自由度与双自由度模型横向的振幅、横向振幅的均方根、“相位转换”所对应的频率比等等问题，均证明了双自由度模型对研究涡激振动特性的重要意义。文中通过对不同频率比下二维涡激振动的模拟研究重点探讨以下问题：第一，单自由度和双自由度模型均产生了“协调（in phase）”和“不协调（out-phase）”、“拍击（beat）”、“锁住（lock-in）”、“相位切换（phase-switch）”等现象，但双自由度模型经历“相位切换”、“拍击”阶段所对应的频率比与单自由度相比较小。第二，成功捕抓到不同阶段的尾流涡场现象，在“锁住”阶段主要是两排涡的尾流涡场，而在其他阶段主要是单排涡的形式；在频率比较低的情况表现出“2P”形态的尾流涡场，，在频率比较高的情况下表现出“2S”的尾流涡场。第三，发现圆柱横流向振动产生的绕流速度以及涡泄的位置是导致涡激振动时横流向位移响应与升力是否产生相位差的根本原因。第四，对以下规律分别给出探索性的解释：(1)对于从“锁住”阶段到“拍击”阶段尾流漩涡产生“双排涡”与“单排涡”切换的原因；(2)不同频率比下单自由度与双自由度升力系数均方根差别的原因；(3)不同频率比下单自由度与双自由度阻力系数平均值表现出本文中所述规律的原因。第五，总结归纳出十分有意义涡激振动特性，包括：(1)“相位切换”阶段升力系数的均方根最小以及升力系数与横流向位移响应相位差出现近180°的跳跃现象；(2)在“锁住”阶段横流向位移均方根较大；(3)“拍击”阶段出现多频振动的特征；(4)在较大频率比范围内，出现涡泄频率锁定在结构振动频率上；(5)在某些频率比的涡激振动的阻力系数频率与升力系数频率并不是两倍的关系，等等。在二维涡激振动的基础上，本研究还对三维柔性立管涡激振动进行直接的三维数值模拟。通过数值模拟结果与他人的实验进行对比，验证流固耦合方案的可行性以及网格与边界条件的合理性。本研究开展了不同来流下柔性立管涡激振动特性的研究，分析了三维柔性立管涡激振动结构的响应特性，得出三维柔性立管各个位置处的振动响应特征（包括运动轨迹），还成功捕抓到三维柔性立管涡激振动出现相邻阶振动模态切换的现象，以及柔性立管所表现出的“行波”特征与立管两端表现出“驻波”特征。本研究还对结构振动响应的频率特征进行分析，发现三维柔性立管涡激振动表现出多频的振动现象，而且在较高速度来流下，立管涡激振动还表现出宽带谱的振动响应特点。最后对柔性立管尾流涡形态的分析，区分了立管不同位置的涡形态：在立管中部主要表现出“2P”或“P+S”形态，而在立管两端主要表现出“2S”形态。对比分析了在不同速度来流下，立管尾涡的不同：在较低来流速度下，立管并没有表现出强烈的三维效应，而在较高来流速度下，立管表现出了强烈的三维效应。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P751

【参考文献】