质量比对细长圆柱体涡激振动影响的数值研究

发布时间：2020-06-11 02:10

【摘要】：随着陆上石油资源的日益减少，开发深海石油资源成为世界各国的共识，而深海开发的最关键技术就是石油立管。随着水深的增加，立管的振动幅值越来越大，流固耦合作用越来越剧烈，深水立管的涡激振动问题已经成为各国学者研究的热点。本文采用ANSYS-CFX软件对低质量比和高质量比细长圆柱体的涡激振动进行了模拟，分析了质量比的大小对圆柱体涡激振动特性的影响。研究发现两者在相同流速，相同约化速度下的两向运动的振动频率，运动轨迹和漩涡脱落的形式明显不同，主要结论如下：在约化速度从1到10的范围内，作用在低质量比圆柱体上的拖曳力频率是升力频率的两倍,顺流向振动频率是横向振动频率的两倍；顺流向振动频率等于拖曳力频率，横向振动频率等于升力频率；这和传统的涡激振动理论保持一致，即响应频率等于荷载频率。分析表明，圆柱体中部的运动轨迹以8字形为主；在约化速度为1,2,3,时，涡泄以2S模态为主；当约化速度为4,5,6,7涡泄模态为2P模态；当约化速度为8,9,10时，基本上观察不到明显的漩涡泄放模态。在约化速度为1,2和3时，作用在高质量比圆柱体上的拖曳力频率是升力频率的两倍，顺流向振动频率是横向振动频率的两倍；顺流向振动频率等于拖曳力频率，横向振动频率等于升力频率；圆柱体中部的运动轨迹以8字形为主。当约化速度为5时，圆柱体顺流向振动频率和横向振动频率相同，都等于作用在圆柱体上的升力频率，这和传统的涡激振动理论明显不同；而且圆柱体中部的运动轨迹为椭圆形。当约化速度为4,6和7时，顺流向振动频率既不是横向振动频率的两倍，也不和横向振动频率一致；但是横向的振动频率一直等于升力频率；运动轨迹比较混乱，8字形和椭圆形轨迹夹杂在一起。约化速度为8,9和10时，圆柱体的顺流向振动频率和横向振动频率一致，都等于2.0Hz，既不等于拖曳力频率也不等于升力频率，而是接近圆柱体的固有频率，圆柱体中部运动轨迹以椭圆形为主。整个约化速度区间，涡泄模态都是规则的2S模态。本文的创新之处体现在：在同一流速和约化速度下，能够对比分析高低质量比圆柱体的涡激振动特性。结果发现了顺流向振动频率等于横向振动频率和圆柱体的运动轨迹为椭圆，这两个新的理论现象，为进一步研究细长圆柱体的涡激振动特性提供了一定的参考依据。
【图文】：

勘测技术,深海,油气田,海洋

济的快速发展，对能源的需求越来越多，而且陆上油使用速度，对于全世界的石油和天然气人类只能用几类多，数量大，，并且海域广大，渤海和南海的能源资天然的能源基地。在二十一世纪，世界海洋经济将夺能源的战争，更加重视海洋石油的开发。石油储量分布不均，而且储量低，油气的质量也差，气的消耗很大，大部分油气依赖进口，严重阻碍经济需求越来越大，国家更应该开发海洋石油资源，原因，有很多极具潜力的深海油气勘探领域[1]，但是由于油气开发主要集中在近海，图 1-1 显示了我国的油和珠三角地区资源丰富且需求量也很大，因此急需充，满足经济发展对能源的需求。

能源开发,深海

源开发发展迅速，美国墨西哥湾的石油开发就是最好的例子[2]：早在 1990湾地区的深水区域生产了不到 4%的石油和不到 1%的天然气，但是截至到 2，深水海域已经出产了 30%的天然气和 60%的石油。巴西、西非以及北海周区由于地理优势和技术优势，其深海油气资源勘探与开发发展较早，取得了的成就,图 1.2 显示了我国深海资源勘探开发的过程，图 1.3 显示了在我国深海油气资源的主要工程装备和各种平台。相对而言，由于我国长期对海洋视程度不够，导致对海洋资源的开发还处在初级阶段，尤其是对于深海领域的较少，这些年在不断地提高。随着经济实力的增强和科学技术的发展，我深海领域的油田勘探取得了一定的成绩。至今为止，我国铺设管线的最大水 330 米，钻探水深最大达到 505 米，已经勘探开发油气田最深处水深达到[3]。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P756.2

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