细长柔性立管涡激振动的数值模拟研究
【图文】：
(a)DirichletBC;(b)NeumannBC;(c)free-slipBC在x-y平面内，采用非均匀正交网格对计算域进行空间离散，如图3所示。为提高精度，在立管附近3D×8D的范围内采用均匀正交网格进行加密。加密区内，网格尺寸为xyD/32，加密区以外用渐变网格，网格间距以指数形式增长。展向上(z轴)采用均匀网格，共划分193层。对于立管的有限元模型，其划分单元的数目与z方向的流体网格数相协调，为192个单元(193个结点)。为了满足CFLUt/x≤0.5的稳定性条件，取无量纲时间步长tU/D0.005，可满足最大CFL数不超过0.25。zxy立管图3x-y平面内网格划分示意图Fig.3Meshgeometryinx-yplane确定三组立管参数，通过调整立管材料的弹性模量E，以改变立管在真空中的固有频率，前5阶固有频率如表1所示。需要说明的是：考虑到立管在水中振动时的附加质量效应，其在水中的固有频率要比表中(干管)的略低。因此，在水中，工况1的第一阶固有频率、工况2的第二阶固有频率以及工况3的第三阶固有频率分别与Re100条件下的圆柱绕流泻涡频率sf0.17接近。可以预见，工况1、工况2和工况3将分别激发1阶、2阶和3阶的横流向涡激振动。其他立管材料参数如下，泊松比为0.3，阻尼比为0.01。表1立管模型的前5阶固有频率Table1Thefirst5naturalfrequenciesoftherisermodels工况f1f2f3f4f510.2060.5671.1111.8372.74320.0700.1940.3800.6270.93730.0390.1060.2080.3440.5132验证算例为了检验数值模拟方法的求解精度，本文将其应用于圆柱绕流问题的数值模拟中，并与其他结果进行比对。圆柱绕流是十分经典的流体力学问题，很多学者通过数值模拟和模型实验等方法开展了详细的研究。本文对刚性圆柱绕流进行了数值模拟，计算条件与1.2节给出的
格6)是满足收敛性要求的。表4不同网格下细长柔性立管涡激振动结果对比Table4ComparisonofVIVofaflexibleslenderriserusingdifferentmeshes网格Ax/Dζx/Dζy/DStCL,rmsCD,rmsCD,mean10.19520.00620.29990.1760.60850.06361.59220.19510.00620.29910.1760.60840.06341.59130.19520.00620.29920.1760.60850.06351.59540.19550.00630.29960.1760.60970.06381.59850.19590.00620.29990.1760.61070.06391.60660.19530.00630.30060.1760.60880.06361.5973细长柔性立管的涡激振动响应3.1振动特性图4给出了立管展向范围内顺流向的平衡位置x/D和时均阻力系数DC。可以看出，对于三个工况，时均阻力系数DC的最大值在1.7~1.85变化，且沿展向表现出了明显的波动特征。工况1的顺流向弯曲的挠度约为0.2D。在时均阻力系数DC接近的前提下，由于弯曲刚度的降低，工况2和工况3的挠度大大增加，分别达到1.6D(工况2)和5.2D(工况3)。D时均阻力系数C(a)顺流向平衡位置(b)阻力系数时均值图4细长柔性立管涡激振动顺流向平衡位置及阻力系数时均值Fig.4Balancedpositionandtime-averageddragcoefficientofslenderflexiblerisersundergoingVIV图5为稳定后立管涡激振动的顺流向和横流向振幅沿立管展向的变化。尽管刚度不同，但三个工况的横流向振幅最大值基本相同，约为0.4D。顺流向振幅最大值较小，在0.01D~0.02D，比横流向的小一个量级。各工况下，立管的涡激振动都体现出了十分明显的驻波振动特征。横流向振动的振型阶数与立管模型的设定参数(见表1)相呼应。例如：工况2设定立管的第2阶固有频率与泻涡频率相接近，，因此在横流向激发出2阶振型。而顺流向的振动响应则较为复杂，呈现出高阶振型和多模态的特
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 方平治;顾明;;圆柱两自由度涡激振动的数值模拟研究[J];同济大学学报(自然科学版);2008年03期
2 方平治;顾明;谈建国;;典型2维柱体涡激振动的数值模拟研究[J];同济大学学报(自然科学版);2009年07期
3 王海青;郭海燕;刘晓春;张永波;孟凡顺;;海洋立管涡激振动抑振方法试验研究[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2009年S1期
4 刘志文;刘小兵;陈政清;栗小祜;;均匀流场串列双Π型断面涡激振动气动干扰试验研究[J];工程力学;2011年12期
5 张红;风涡激振动力作用下,平台上部塔架结构的设计和计算[J];中国海洋平台;1997年02期
6 黄维平;曹静;张恩勇;唐世振;;大柔性圆柱体两自由度涡激振动试验研究[J];力学学报;2011年02期
7 任铁;付世晓;李润培;杨建民;;基于模型试验的实尺度立管涡激振动响应预报方法研究[J];船舶力学;2011年04期
8 房建党;;涡激振动研究方法的探讨[J];科技信息;2013年09期
9 罗竹梅;张立翔;;影响从涡激振动中获取能量的参数研究[J];振动与冲击;2014年09期
10 李立,廖锦翔;涡激振动问题的有限元计算研究[J];工程力学;2003年05期
相关会议论文 前10条
1 陈伟民;时忠民;;海洋平台的涡激振动研究及其分析方法[A];2003年度海洋工程学术会议论文集[C];2003年
2 王琳;;内流速度对管道涡激振动响应的影响研究[A];第六届全国动力学与控制青年学者学术研讨会论文摘要集[C];2012年
3 刘志文;杨阳;陈政清;张著名;辛亚兵;;桥梁结构抗风设计中的涡激振动问题[A];第十八届全国桥梁学术会议论文集（下册）[C];2008年
4 代胡亮;王琳;;超临界内流速条件下管道的涡激振动响应[A];第九届全国动力学与控制学术会议会议手册[C];2012年
5 黄熙龙;王嘉松;;利用离散涡方法模拟圆柱绕流及涡激振动[A];第二十五届全国水动力学研讨会暨第十二届全国水动力学学术会议文集（上册）[C];2013年
6 王琳;;非线性涡激振动及其能量利用的几个问题讨论[A];第七届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2013年
7 鲜荣;廖海黎;朱超;盛建军;;大跨度桥梁涡激振动经验线性模型应用[A];第十四届全国结构风工程学术会议论文集（中册）[C];2009年
8 王艺;陈伟民;;均匀来流中圆柱涡激振动负附加质量[A];第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集[C];2005年
9 林黎明;宋芳;曾晓辉;;应用新的尾流振子模型研究大长径比下立管的涡激振动[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年
10 廖海黎;王骑;李明水;;嘉绍大桥分体式钢箱梁涡激振动特性风洞试验研究[A];第十四届全国结构风工程学术会议论文集（中册）[C];2009年
相关博士学位论文 前10条
1 涂佳黄;剪切来流下钝体绕流与涡激振动效应模拟与分析[D];上海交通大学;2014年
2 孙延国;基于偏相关的大跨度桥梁涡激振动分析方法及应用研究[D];西南交通大学;2013年
3 李保军;海洋管线涡激振动监测关键技术研究[D];西北工业大学;2015年
4 秦浩;大跨度变截面连续钢箱梁桥涡激振动计算方法研究[D];西南交通大学;2015年
5 毛海英;钢悬链线立管整体动力响应分析[D];中国海洋大学;2015年
6 罗竹梅;海流能发电涡激振动驱动的水动力特性及能量获取研究[D];昆明理工大学;2016年
7 詹昊;钢桁拱桥吊杆涡激振动仿真分析[D];华中科技大学;2009年
8 陈正寿;柔性管涡激振动的模型实验及数值模拟研究[D];中国海洋大学;2009年
9 何长江;柔性立管涡激振动试验与数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 黄智勇;柔性立管涡激振动时域响应分析[D];上海交通大学;2008年
相关硕士学位论文 前10条
1 韩艳艳;钢箱梁斜拉桥涡激振动控制的TMD参数研究[D];西南交通大学;2015年
2 岳明;悬索桥铰接式吊索涡激振动气动干扰效应数值分析[D];郑州大学;2015年
3 吕凤池;基于圆柱涡激振动压电梁水下俘能特性研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
4 谭真;风帆助航船涡激振动研究[D];大连理工大学;2015年
5 段青松;积雪对桥梁空气动力的影响研究[D];西南交通大学;2014年
6 王彦彪;基于模型测压试验的扁平箱梁涡振机理研究[D];石家庄铁道大学;2015年
7 武爽;潮流能转换装置阻尼条件下圆柱振子涡激振动现象研究[D];中国海洋大学;2015年
8 钟诗民;群式站立式立管浮筒涡激振动研究[D];中国海洋大学;2015年
9 郭峰;汽车外后视镜风激振特性的数值模拟研究[D];吉林大学;2016年
10 朱文波;海洋热塑性增强管涡激振动流固耦合分析[D];南京理工大学;2016年
本文编号：2569428
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/2569428.html
