悬垂立管涡激振动响应特性研究
发布时间：2020-05-26 11:06
【摘要】：悬垂立管由于其经济效益被广泛应用于海洋能源的开采中。悬垂立管在顶端平台运动和管内流动联合共同作用下,会形成面内全局响应,并和背景洋流形成强烈的相对振荡来流。这种样的振荡流场很可能会使得横流向发生涡激振动。为了研究悬垂立管在平台运动和内流联合作用下悬垂立管涡激振动响应特性,本文开展了悬垂抽水立管模型试验,应用光纤光栅应变片在测量立管在横流向和顺流向的应变数据。并应用模态分析法、小波分析法等分析方法对于试验数据进行处理和研究。同时通过试验和数值模拟结合的方式,分析了顺流向应变,流速,KC数,泻涡频率等分布规律。着重研究内流流速作用对于悬垂立管涡激振动响应特性的影响。结果表明:大管径悬垂立管在振荡流场和内流共同作用下,可以产生涡激振动,本试验内流速度区间下,内流作用对于悬垂立管固有频率,KC数和泻涡频率幅值分布,以及涡激振动影响不大。同种平台运动下,悬垂立管涡激振动响应结果不同,证明了顶部平台运动诱发的涡激振动具有不稳定性的事实。同时,分析平台运动下大尺度悬垂立管疲劳损伤特性,发现平台运动引发的悬垂立管涡激振动疲劳损伤和KC数有关。各点面内疲劳损伤值延管长分布趋势和面内应变RMS延管长分布趋势相似,呈现“波浪状”分布。着重研究面内全局响应以及面外涡激振动对于悬垂立管的疲劳损伤贡献,发现横流向向的疲劳损伤的数量级为顺流向的10-2倍左右。本文通过悬垂立管涡激振动响应特性的研究提升了对于管内流动和平台运动联合作用下,悬垂立管涡激振动的响应特性的认识,为未来的预报提供数据支持。
【图文】：
图 1.2 温差能发电原理图Fig.1.2 Sketch of OTEC Systems目前，在背景洋流作用下，立管涡激振动的成为了科学家们研究的重点问题。在外界流场的作用下，立管涡激振动的问题一般会按照流场的形式划分，即为流场方向不变，大小不变的均匀流或者时剪切流场 (Griffin O M ,1984；LieH,2006; Allen DW,2001；Tognarelli M, 2004；Niedzwecki J M,2013；Chaplin J R,2005；Trim A D, 2005；Vandiver J K,2005)。但在实际海洋资源开采过程中，由于顶部平台在外界风、浪、流作用下会在一定范围内进行六个自由度的运动，由于立管铰接于顶部平台，因此也会被带动，相对于静水，产生了一种振荡的流场，本文称之为相对振荡来流。对于这种振荡来流会在立管的的尾部形成漩涡脱落，而且随着 KC 数的增大，其漩涡脱落也较为稳定，漩涡脱落会导致立管两端升力的变化，这种变化是周期性的。因此，，振荡来流更能反映出真实的工程情况,称为平台运动诱发的 VIV。科学家们对于平台运动作用下立管的动力
图 1-4 在不同雷诺数区间均匀流经过刚性圆柱体的尾涡类型(Lienhard, 1966)Fig.1-4 The Trailing Vortex Type a Rigid Cylinder under Different Reynolds Number Interval(Lienhard, 1966)如图1-5所示，因为边界层分离的原因，立管尾部形成了交替泻涡，这样替的泻涡作用于圆柱体，形成具有一定周期性的脉冲压力。如果相对来流的始速度是u，而在圆柱体尾部的环向速度为u1，此时，在圆柱体的一侧，流度为u-u1，而根据上述的边界层分离介绍，说明泻涡时交替进行的，因此在体的另一侧其流体速度变为了是u+u1，伯努利方程认为流速大压强小，因此会导致两侧的压强不平衡出现压力差，因此在不断的交替泻涡过程中，立管会不断的受到不同方向的脉动压力的作用。若将这样的脉动压力按照不同的向进行分解，可以分为顺流向的拖曳力以及横流向的升力。由于脉动压力的用，圆柱体会产生周期性的振动，同时也会反过来作用流场，让对应的流场
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2
本文编号：2681738
【图文】：
图 1.2 温差能发电原理图Fig.1.2 Sketch of OTEC Systems目前，在背景洋流作用下，立管涡激振动的成为了科学家们研究的重点问题。在外界流场的作用下，立管涡激振动的问题一般会按照流场的形式划分，即为流场方向不变，大小不变的均匀流或者时剪切流场 (Griffin O M ,1984；LieH,2006; Allen DW,2001；Tognarelli M, 2004；Niedzwecki J M,2013；Chaplin J R,2005；Trim A D, 2005；Vandiver J K,2005)。但在实际海洋资源开采过程中，由于顶部平台在外界风、浪、流作用下会在一定范围内进行六个自由度的运动，由于立管铰接于顶部平台，因此也会被带动，相对于静水，产生了一种振荡的流场，本文称之为相对振荡来流。对于这种振荡来流会在立管的的尾部形成漩涡脱落，而且随着 KC 数的增大，其漩涡脱落也较为稳定，漩涡脱落会导致立管两端升力的变化，这种变化是周期性的。因此，，振荡来流更能反映出真实的工程情况,称为平台运动诱发的 VIV。科学家们对于平台运动作用下立管的动力
图 1-4 在不同雷诺数区间均匀流经过刚性圆柱体的尾涡类型(Lienhard, 1966)Fig.1-4 The Trailing Vortex Type a Rigid Cylinder under Different Reynolds Number Interval(Lienhard, 1966)如图1-5所示，因为边界层分离的原因，立管尾部形成了交替泻涡，这样替的泻涡作用于圆柱体，形成具有一定周期性的脉冲压力。如果相对来流的始速度是u，而在圆柱体尾部的环向速度为u1，此时，在圆柱体的一侧，流度为u-u1，而根据上述的边界层分离介绍，说明泻涡时交替进行的，因此在体的另一侧其流体速度变为了是u+u1，伯努利方程认为流速大压强小，因此会导致两侧的压强不平衡出现压力差，因此在不断的交替泻涡过程中，立管会不断的受到不同方向的脉动压力的作用。若将这样的脉动压力按照不同的向进行分解，可以分为顺流向的拖曳力以及横流向的升力。由于脉动压力的用，圆柱体会产生周期性的振动，同时也会反过来作用流场，让对应的流场
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 杨美志;;“内波流”对动力定位船安全作业的影响及对策[J];航海技术;2013年03期
本文编号：2681738
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/2681738.html
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