绕圆柱湍流场发展及立管涡激振动的研究

发布时间：2020-09-27 21:25

　　随着世界对石油需求量的逐年增加,石油短缺的矛盾越来越突出,为缓解该矛盾,人类逐渐从陆地钻井发展到海上钻井,并逐年加大了深海石油勘探、开发的力度。作为深海油气用开发系统结构的重要组成部分,海洋立管以其全新的形式、动态的特性以及高技术特点变得格外引人注目。海流、波浪及平台的运动不断作用于立管之上,尤其是当涡脱落频率接近立管的固有频率时,会引起立管的共振,发生所谓的“锁定”现象,严重时甚至会引起立管的疲劳损坏,缩短立管的使用寿命,因此在立管的设计过程中首先要考虑涡激振动的影响。本文的研究内容包括三大部分：一是绕圆柱湍流场计算尺度效应的研究及湍流场发展变化的研究；二是弹性支撑刚性圆柱体涡激振动的数值计算；三是立管在真实海洋环境下的非线性涡激动力响应研究。本文通过阐述我国海洋石油开采能力与世界先进水平的差距以及涡激振动对立管设计的重要性,论证了本文选题的理论意义和工程意义。分别从实验流体力学方法(EFD)、计算流体力学方法(CFD)和半经验方法(SEM)总结和归纳了涡激振动的研究进展,指出了当前涡激振动研究领域存在的一些亟待解决的问题。同时系统地阐述了涡激振动的机理、详细归纳了涡激振动的相关参数,并概述了求解湍流运动和流固耦合问题的数值方法。对雷诺数103～107范围内圆柱体的绕流场进行了大量细致的数值计算。应用雷诺平均纳维尔——斯托克斯方程(RANS),通过方程分析得到了有关湍动能和湍流耗散率这两个表征湍流脉动特性的相似数,用以衡量湍流计算的尺度效应,并给出相似数随雷诺数变化的规律。结果表明,在主流方向的尾流中心线上当Re≥3×106时,湍动能和湍流耗散率随着雷诺数的变化趋于平稳。而后研究了四种计算尺度下的湍流场及其发展变化(包括流向平均速度场、涡量场、湍流动能和湍流耗散率),并比较了不同计算尺度下圆柱湍流场的特征。最后,对Re≥3×106这一雷诺数范围的湍流场特征进行了详细的研究,给出湍流脉动量在下游的发展变化规律。采用雷诺平均纳维尔——斯托克斯方程(RANS),结合RNG k-ε和SST k-ω这两种不同的湍流模型,研究了低质量比弹性支撑刚性圆柱体的自激振动问题。从频率响应、振幅响应、对升力的谱分析、三个响应分支的水动力性能、尾涡模式和计算效率等方面比较了两种湍流模型的模拟效果,结果表明SST k-ω湍流模型在整体上优于RNG k-ε湍流模型。并对振动圆柱体的三个响应分支(初始分支、上端分支和下端分支)的湍流场(包括壁面压力系数、壁面切应力系数、流向平均速度、流向速度脉动值、横向速度脉动值和雷诺应力的分布)及其发展变化进行了研究,与同等雷诺数下固定圆柱体的湍流场进行了对比。建立了真实海洋环境下立管三维非线性涡激动力响应控制方程。采用Morison方程求解顺流力；Facchinetti改进的尾流振子模型求解横向升力,考虑了附加质量系数的变化：轴向力的计算考虑平台的升沉运动。在计算分析中考虑的非线性主要包括大变形引起的几何非线性、流体动力非线性和流固耦合非线性。在边界条件的处理上,综合考虑了波浪、海流、平台运动(升沉和纵荡运动)的影响,并且上下边界的处理考虑了转动刚度的影响。采用更新的拉格朗日方法(Updated Lagrangian Method)解决大变形引起的几何非线性问题,采用Newton-Raphson迭代法求解非线性方程组。在此基础上讨论了三维空间立管的非线性涡激动力响应的影响因素。同时,研究了高雷诺数剪切流条件立管的多模态涡激振动响应,讨论了剪切参数对立管涡激动力响应的影响,并比较了均匀来流和剪切流条件下不同的响应特征。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P756.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
1 绪论
    1.1 选题的目的和意义
    1.2 海洋平台立管介绍
    1.3 涡激振动的机理
        1.3.1 涡的产生与脱落
        1.3.2 旋涡脱落产生的流体力
        1.3.3 固定圆柱体的旋涡尾流
        1.3.4 圆柱体运动对尾流的影响
        1.3.5 振动圆柱体的旋涡尾流
    1.4 涡激振动的基本参数
    1.5 涡激振动研究进展
        1.5.1 涡激振动的实验研究
        1.5.2 涡激振动的CFD模型
        1.5.3 涡激振动的经验模型
    1.6 求解湍流及流固耦合运动的数值计算方法
    1.7 本文的主要工作
2 绕圆柱湍流场尺度效应的研究及发展变化计算
    2.1 控制方程及脉动相似数的推导
    2.2 网格划分及边界条件
    2.3 程序验证
    2.4 绕圆柱湍流场尺度效应的研究
        2.4.1 主流方向上湍流量的尺度效应
        2.4.2 斜流方向上湍流量的尺度效应
        2.4.3 横流方向上湍流量的尺度效应
    2.5 四种尺度下湍流场发展变化的计算
        2.5.1 Re=2700时湍流场发展变化的计算
        2.5.2 Re=34300时湍流场发展变化的计算
        2.5.3 Re=1×10~5时湍流场发展变化的计算
        2.5.4 Re=3×10~6时湍流场发展变化的计算
    2.6 高雷诺数下绕圆柱湍流场发展变化的研究
    2.7 本章小结
3 圆柱涡激振动的数值计算
    3.1 计算模型
        3.1.1 计算流体力学控制方程
        3.1.2 结构动力学控制方程
        3.1.3 湍流模型
        3.1.4 网格划分
        3.1.5 求解方法
    3.2 计算结果
        3.2.1 中等质量比采用RNG κ-ε 湍流模型的计算结果
        3.2.2 低等质量比采用RNG κ-ε 湍流模型的计算结果
        3.2.3 低等质量比采用SST κ-ω 湍流模型的计算结果
    3.3 不同湍流模型下圆柱涡激振动的计算比较
    3.4 自激振动圆柱体湍流场及发展变化的研究
        3.4.1 升、阻力系数的研究
        3.4.2 近壁面湍流效应研究
        3.4.3 湍流场的发展变化研究
    3.5 本章小结
4 海洋立管非线性涡激动力响应分析
    4.1 三维立管非线性涡激动力响应控制方程
        4.1.1 单位长度顺流力的确定
        4.1.2 单位长度的横向力的确定
        4.1.3 单位长度轴向力的确定
        4.1.4 边界条件
        4.1.5 控制方程的离散及求解
        4.1.6 程序验证
    4.2 立管非线性涡激动力响应影响因素分析
        4.2.1 非线性影响因素分析
        4.2.2 结构影响因素分析
        4.2.3 环境载荷影响因素分析
        4.2.4 平台与立管相互作用影响因素分析
    4.3 剪切流作用下立管涡激响应的研究
        4.3.1 剪切参数的影响
        4.3.2 模态响应研究
        4.3.3 均匀流和剪切流条件下涡激响应的比较
    4.4 本章小结
5 结论与展望
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介

【参考文献】