海底子母管结构大管和小管的水动力特性研究
发布时间：2021-04-07 05:27
本文通过物理模型实验和数值模拟计算,对海底子母管结构大管和小管的水动力特性问题进行深入研究,旨在加深对这种新型海底子母管结构的认识,为工程技术人员、科研人员进行海底子母管结构的稳定和安全性评估提供有价值的科学成果和理论基础。物模实验中设计了一套可以同步测得海底子母管结构中大管和小管水平力、升力的研究方案,开展了规则波、不规则波及波流共同作用下海底孤立母管、子母管系统、大管和小管各自受力的实验研究,讨论了大管和小管各自承受荷载分别占系统总荷载的比值,并系统分析了KC数、管线与海床间隙比e/D、子母管间相对缝隙G/D、子母管径比d/D和流速比Uc/uwm对大管、小管及子母管系统水动力系数的影响。实验结果表明,海底子母管结构中大管、小管分别承受的水平力彼此同步振荡,其相应峰值大约占子母管系统总的水平力峰值的74%和26%；大管、小管及子母管系统的水动力系数关于上述影响因素有良好的相关性,并且在波流共同作用下,水动力系数随各影响因素的变化趋势同纯波浪作用下的变化趋势大体一致。在数值模拟方面,本文采用三步有限元法来离散N-S方程,k-ω模型来模拟流体的湍流运动,CLEAR-VOF方法来追踪运动水...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 海底子母管结构和相关参数定义
1.3 海底子母管线的水动力特性研究进展
1.3.1 实验研究进展
1.3.2 数值研究进展
1.4 本文的主要研究工作
2 物模实验设计与数据处理方法
2.1 实验设备与仪器
2.2 管线模型与实验布置
2.2.1 测量孤立母管受力的实验布置
2.2.2 测量子母管结构系统受力的实验布置
2.2.3 测量子母管结构大管和小管各自受力的实验布置
2.3 实验波流要素
2.3.1 规则波和不规则波
2.3.2 规则波加流和不规则波加流
2.4 数据处理方法
2.4.1 海底管线的受力
2.4.2 纯波浪场水质点速度和加速度
2.4.3 波流共存场水质点速度和加速度
2.4.4 水动力系数分析方法
2.5 孤立母管的实验结果和比较
2.6 小结
3 物模实验结果与分析
3.1 纯波浪作用下子母管结构的实验结果和分析
3.1.1 管线受力的实测历时过程线
3.1.2 大管和小管上波浪力的比较
3.1.3 KC数对大管和小管水动力系数的影响
3.1.4 管线与海床间隙比对大管和小管水动力系数的影响
3.1.5 子母管间相对缝隙对大管和小管水动力系数的影响
3.1.6 子母管径比对大管和小管水动力系数的影响
3.2 波流共同作用下子母管结构的实验结果和分析
3.2.1 管线受力的实测历时过程线
3.2.2 大管和小管上波流力的比较
3.2.3 KC数对大管和小管水动力系数的影响
3.2.4 流速比对大管和小管水动力系数的影响
3.2.5 管线与海床间隙比对大管和小管水动力系数的影响
3.2.6 子母管间相对缝隙对大管和小管水动力系数的影响
3.2.7 子母管径比对大管和小管水动力系数的影响
3.3 小结
4 海底子母管线在波浪作用下的数值模型
4.1 基本控制方程和湍流模型
4.1.1 二维粘性不可压雷诺平均N-S方程
4.1.2 k-ω湍流模型
4.2 数值离散方法和自由表面的捕捉
4.2.1 三步有限元法
4.2.2 CLEAR-VOF法
4.2.3 数值计算的求解步骤
4.3 数值波浪水槽的建立
4.3.1 数值波浪水槽计算域
4.3.2 网格划分
4.3.3 边界条件和初始条件
4.4 数值模型的验证
4.5 小结
5 波浪作用下海底子母管线水动力特性的数值结果和分析
5.1 规则波作用下的数值结果和分析
5.1.1 荷载的振荡变化与波浪场的演化
5.1.2 涡脱模式
5.1.3 涡泄频率
5.1.4 水动力系数分析
5.2 不规则波作用下的数值结果和分析
5.2.1 涡泄频率
5.2.2 水动力系数分析
5.3 小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 研究展望
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间发表学术论文情况
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]WAKE PATTERNS OF FLOW PAST A PAIR OF CIRCULAR CYLINDERS IN SIDE-BY-SIDE ARRANGEMENTS AT LOW REYNOLDS NUMBERS[J]. LIU Kun, MA Dong-jun, SUN De-jun, YIN Xie-yuan Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China,. Journal of Hydrodynamics. 2007(06)
[2]海流—管道—海床之间动力相互作用的量纲分析及实验模拟装置研制（英文）[J]. 杨兵,高福平,吴应湘. 船舶力学. 2006(03)
[3]我国油气长输管道的建设与发展[J]. 李顺德. 油气田地面工程. 2005(11)
[4]Morison方程水动力系数归一化的探讨[J]. 李玉成. 水动力学研究与进展（A辑）. 1998(03)
[5]有限元无限元耦合法求解直立圆柱上的波浪力[J]. 翟瑞彩,吴国福,周建和. 天津大学学报. 1996(05)
[6]波浪对海底管线作用的物理模型实验及数值模拟研究[J]. 李玉成,陈兵,王革. 海洋通报. 1996(04)
[7]三维有自由表面问题的数值模拟研究[J]. 林明森,陶建华. 水动力学研究与进展（A辑）. 1994(04)
[8]Hydrodynamic Coefficients for Grouping Piles Under the Action of Irregular Waves[J]. Yu Yuxiu Shi Xianghong Professor. Department of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024 Engineer, Construction Headquarters of Dalian Port, Dalian. China Ocean Engineering. 1994(02)
[9]方柱水动力系数确定方法的探讨[J]. 李玉成,王凤龙,何明. 海洋通报. 1994(02)
[10]无反射造波数值波浪水槽[J]. 王永学. 水动力学研究与进展（A辑）. 1994(02)
博士论文
[1]海洋工程中小尺度物体的相关水动力数值计算[D]. 吕林.大连理工大学 2006
本文编号：3122893
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
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摘要
Abstract
目录
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 海底子母管结构和相关参数定义
1.3 海底子母管线的水动力特性研究进展
1.3.1 实验研究进展
1.3.2 数值研究进展
1.4 本文的主要研究工作
2 物模实验设计与数据处理方法
2.1 实验设备与仪器
2.2 管线模型与实验布置
2.2.1 测量孤立母管受力的实验布置
2.2.2 测量子母管结构系统受力的实验布置
2.2.3 测量子母管结构大管和小管各自受力的实验布置
2.3 实验波流要素
2.3.1 规则波和不规则波
2.3.2 规则波加流和不规则波加流
2.4 数据处理方法
2.4.1 海底管线的受力
2.4.2 纯波浪场水质点速度和加速度
2.4.3 波流共存场水质点速度和加速度
2.4.4 水动力系数分析方法
2.5 孤立母管的实验结果和比较
2.6 小结
3 物模实验结果与分析
3.1 纯波浪作用下子母管结构的实验结果和分析
3.1.1 管线受力的实测历时过程线
3.1.2 大管和小管上波浪力的比较
3.1.3 KC数对大管和小管水动力系数的影响
3.1.4 管线与海床间隙比对大管和小管水动力系数的影响
3.1.5 子母管间相对缝隙对大管和小管水动力系数的影响
3.1.6 子母管径比对大管和小管水动力系数的影响
3.2 波流共同作用下子母管结构的实验结果和分析
3.2.1 管线受力的实测历时过程线
3.2.2 大管和小管上波流力的比较
3.2.3 KC数对大管和小管水动力系数的影响
3.2.4 流速比对大管和小管水动力系数的影响
3.2.5 管线与海床间隙比对大管和小管水动力系数的影响
3.2.6 子母管间相对缝隙对大管和小管水动力系数的影响
3.2.7 子母管径比对大管和小管水动力系数的影响
3.3 小结
4 海底子母管线在波浪作用下的数值模型
4.1 基本控制方程和湍流模型
4.1.1 二维粘性不可压雷诺平均N-S方程
4.1.2 k-ω湍流模型
4.2 数值离散方法和自由表面的捕捉
4.2.1 三步有限元法
4.2.2 CLEAR-VOF法
4.2.3 数值计算的求解步骤
4.3 数值波浪水槽的建立
4.3.1 数值波浪水槽计算域
4.3.2 网格划分
4.3.3 边界条件和初始条件
4.4 数值模型的验证
4.5 小结
5 波浪作用下海底子母管线水动力特性的数值结果和分析
5.1 规则波作用下的数值结果和分析
5.1.1 荷载的振荡变化与波浪场的演化
5.1.2 涡脱模式
5.1.3 涡泄频率
5.1.4 水动力系数分析
5.2 不规则波作用下的数值结果和分析
5.2.1 涡泄频率
5.2.2 水动力系数分析
5.3 小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 研究展望
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间发表学术论文情况
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]WAKE PATTERNS OF FLOW PAST A PAIR OF CIRCULAR CYLINDERS IN SIDE-BY-SIDE ARRANGEMENTS AT LOW REYNOLDS NUMBERS[J]. LIU Kun, MA Dong-jun, SUN De-jun, YIN Xie-yuan Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China,. Journal of Hydrodynamics. 2007(06)
[2]海流—管道—海床之间动力相互作用的量纲分析及实验模拟装置研制（英文）[J]. 杨兵,高福平,吴应湘. 船舶力学. 2006(03)
[3]我国油气长输管道的建设与发展[J]. 李顺德. 油气田地面工程. 2005(11)
[4]Morison方程水动力系数归一化的探讨[J]. 李玉成. 水动力学研究与进展（A辑）. 1998(03)
[5]有限元无限元耦合法求解直立圆柱上的波浪力[J]. 翟瑞彩,吴国福,周建和. 天津大学学报. 1996(05)
[6]波浪对海底管线作用的物理模型实验及数值模拟研究[J]. 李玉成,陈兵,王革. 海洋通报. 1996(04)
[7]三维有自由表面问题的数值模拟研究[J]. 林明森,陶建华. 水动力学研究与进展（A辑）. 1994(04)
[8]Hydrodynamic Coefficients for Grouping Piles Under the Action of Irregular Waves[J]. Yu Yuxiu Shi Xianghong Professor. Department of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024 Engineer, Construction Headquarters of Dalian Port, Dalian. China Ocean Engineering. 1994(02)
[9]方柱水动力系数确定方法的探讨[J]. 李玉成,王凤龙,何明. 海洋通报. 1994(02)
[10]无反射造波数值波浪水槽[J]. 王永学. 水动力学研究与进展（A辑）. 1994(02)
博士论文
[1]海洋工程中小尺度物体的相关水动力数值计算[D]. 吕林.大连理工大学 2006
本文编号：3122893
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