倾斜多柱体绕流试验及数值研究

发布时间：2020-05-10 16:56

【摘要】：海洋立管作为深水油气资源开采中关键且薄弱的构件,在开采系统中通常以管群形式存在。相邻管体之间的相互影响、干扰会对其后的尾流旋涡脱落形态及结构动力响应产生很大影响,尤其对于钢悬链线立管,其近触底区因倾斜角度变化大,尾流相互干扰及涡激振动机制更加复杂,更易导致立管发生疲劳破坏。然而目前基于竖直多管体的尾涡特性研究因忽略轴向流影响,并不能直接应用到倾斜多管体中,亟需开展倾斜管流场尾涡特性研究。本文基于物理模型试验和数值模拟,开展了不同倾斜角度及雷诺数条件下倾斜单柱、倾斜并列多柱绕流流场尾涡特性的试验及数值研究,主要研究工作如下:1.采用粒子图像测速技术(PIV)开展了小间距比下不同倾斜角度的并列双柱与并列三柱绕流流场的可视化研究,得到了瞬时涡量等值线、瞬时及时均流线拓扑及时均流线拓扑,分析了间隙流瞬时偏转角度频率分布直方图的概率拟合,探讨了倾斜角度对间隙流形态、尾涡涡量和间隙流偏转角度的影响,阐述了倾斜并列圆柱间隙流发生交替偏转机理。研究发现,随着倾斜角度的增大,并列双柱绕流流场仅存在两种间隙流形态,而并列三柱绕流流场共存在五种间隙流形态。各倾斜角度下的间隙流瞬时偏转角度的频率分布直方图均大致符合正态分布。2.采用计算流体力学开源软件OpenFOAM对不同雷诺数顺流向与逆流向倾斜单圆柱绕流进行了三维数值模拟研究,获得了瞬时三维尾涡结构、瞬时及时均流线、旋涡脱落频率与圆柱受力特征,验证了不同雷诺数下独立性原则的适用性,揭示了倾斜圆柱流场特性及圆柱受力特征随雷诺数与倾斜角度的变化规律。此外,本文开展了小间距比下不同倾斜角度的并列双柱绕流的三维数值模拟研究,探讨了倾斜角度对并列圆柱间隙流形态及圆柱受力特征的影响,阐明了独立性原则对倾斜并列双柱绕流的适用性。
【图文】：

对其后的尾流旋涡脱落形态及结构动力响应产生很大影响。在多种形式的立管逡逑中，钢悬链线立管因其结构简单、经济可靠及对上部平台运动更好的适应性而越逡逑来越多的被应用于深水油气资源开发中钢悬链线立管近触底区（如图１．２（ｂ）逡逑所示）由于倾斜角度变化大，在流体绕流倾斜立管的过程中，尾涡相互干扰及涡逡逑１逡逑

流体流经倾斜圆柱时，会在圆柱背侧形成具有较大速度的轴向流动某种意义上会抑制剪切层分离，扰乱流场旋涡脱落，因此倾斜圆柱落形态及受力特性与竖直圆柱相比存在明显差异１５１。当圆柱倾斜角向流较强，则圆柱下游端附近区域的卡门涡街会受到严重的干扰，。当倾斜并列多柱体之间间距较小时，在轴向流的作用下间隙流的得更为复杂，进而极大地影响并列柱体的受力特性。为预测倾斜圆与旋涡脱落特性，Ｈｏｅｍｅｒｎ提出了独立性原则，该原则认为，若倾力系数及旋涡脱落频率经过速度沿柱体的法向分量进行换算，则结较为接近。据研究表明，对单圆柱绕流而言，当柱体倾斜程度较小２逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P756.2

【参考文献】

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本文编号：2657608