深水顶张式立管螺旋侧板抑制VIV机理研究

发布时间：2020-05-22 23:06

【摘要】：泻涡脱落诱发的涡激振动是海洋立管疲劳破坏的主要诱因,利用相关的扰流装置抑制涡激振动对立管的损伤,越来越受到海洋工程界的关注。目前在螺旋侧板的物理实验和数值模拟等方面仍面临很多难题。本文以CFD(计算流体力学)数值模拟在涡激振动计算仿真中的应用,通过物理模型实验和数值模拟相结合对光滑立管和覆盖螺旋侧板的立管的泻涡脱落和与之对应的涡激振动形态等进行了综合研究。本文采用物理实验验证和数值模拟结合的方法深入研究光滑立管的涡激振动机理,以及螺旋侧板对立管涡激振动的抑振原理。其中物理模型实验和数值模拟工作相互补充,前者为后者提供模型建立的方向性指导并作为判断计算结果可靠性的依据；经过优化设计的后验型数值模拟则为物理模型实验提供对应的螺旋侧板尾流区泻涡发放形态及结构位移和变形的瞬时综合信息,从漩涡发放形态随时间和沿立管轴向变化阐释螺旋侧板对立管涡激振动的影响。同时,本文对数值模拟的结果和物理模型实验观测的结果之间存在的差异给予合理的说明,并提出改进方案。在物理实验中,取光滑立管与螺旋侧板高为0.10D(D为立管的直径)立管进行对比,研究立管在不同流速下的应变和立管尾部涡街的变化,分析螺旋侧板螺距对立管涡激振动的影响。在数值模拟过程中,将实验中比较有代表性的两组雷诺数：Re=200和Re=1500,两种流速下对光滑立管和覆盖螺旋侧板的立管分2D和3D两种情况进行模拟分析。在2D数值模拟中,光滑立管取一圆形截面进行分析,对于覆盖螺旋侧板的立管取其中四个比较有代表性的截面,研究拖曳力,升力以及拖曳力系数和升力系数在不同雷诺数,不同截面下变化,进而研究螺旋侧板对立管涡激振动的影响。在3D数值模拟过程中,将取光滑立管和P5_H0.10, P5_H0.14, P5_H0.25和P16_H0.25四种覆盖螺旋侧板的立管在雷诺数Re=200和Re=1500下,通过研究拖曳力系数和升力系数随Re的变化与2D数值模拟的结果进行对比,分析螺旋侧板高和螺距对立管涡激振动的影响,并通过对三维立管的疲劳寿命的计算得出最优的螺旋侧板尺寸。这些先验的模拟工作对指导今后的物理模型实验以至相关的实际海洋工程实践都具有重要的参考价值。本文创新性的工作体现在：通过实验、模拟结果对螺旋侧板的研究提供可靠的数据,将物理模型实验与数值模拟相关的很多重要结论结合起来研究涡激振动对立管的影响。同时,通过物理模型实验与数值模拟的结合,对很多刚性管涡激振动抑振相关的振动模态、振幅间相互作用、泻涡发放变化规律及尾流区复杂的泻涡发放形态等方面都给予了合理的解释。
【图文】：

海流,涡激振动,减振器,立管

图1一2.各种涡激抑制装置对于涡激振动的抑制技术，目前已是国际海洋工程中的研究热点。为了减小涡激振动的危害，人们研制各种涡激抑制装置，有HelicalStrakes(螺旋侧板)，Shroud(屏蔽装置)，Fairings(减振器)，Splitterplate(导流板)等，见图l一2。其中螺旋侧板和减振器是现场常用的涡激振动抑制装置[6]，盛磊祥等[7]对减振器进行cFD模拟，其对海流方向较为敏感，在海流方向与减振器对称轴线方向平行时能实现涡激的抑制，但其造价非常高，而且其使用寿命受到限制。螺旋侧板是第一代抑振技术的产物，其外形如同螺栓的螺纹，包裹在立管的周围，其可以改变流速的相对长度，，改变立管的动力特性，使立管的固有频率发生变化。不受海流方向的影响，即海流方向的变

螺旋,侧板,相关参数,涡激振动

深水顶张式立管螺旋侧板抑制Vlv机理研究幅值，研究立管的疲劳寿命，经验证螺旋侧板很好的抑制了涡激振动发生。RafikBoubenide:etal.[33]研究认为scR覆盖聚乙烯螺旋侧板可以减少%%的涡激振动，别适用于seR的s一Lay的安装过程中。2.J.Ding，Balasubramanianetal.[，‘]通过对性立管增加螺旋侧板，分析立管的涡激振动的升力和阻尼，对立管的涡激振动模型行预测和研究。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TB533;P75

【引证文献】