洋流作用下纤维复合材料海洋立管的涡激振动分析
发布时间：2021-11-15 09:13
随着世界各国经济的不断增长,各国逐渐开始重视对海洋资源的开发利用,而海洋立管则是海洋资源开发中不可或缺的结构物。海洋立管的材料属性是制约其在深海领域应用的一个重要因素。传统金属海洋立管随着水深的增加由于自身重量大导致其对顶张力的要求也不断增大,从而遏制了在深海领域的应用。纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性、保温隔热性和抗疲劳性等特点,纤维复合材料海洋立管成为了一种新的发展形式,但同样面临着海洋环境诱发的涡激振动从而导致的疲劳破坏问题。相对于传统金属海洋立管,纤维复合材料海洋立管的动力特征研究还处在起步阶段,存在许多不足。本文首先考虑了立管的种类、立管的长细比以及洋流流速三种因素,利用正交试验确定结构与环境因素的组合,基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的方法,借助ANSYS Workbench平台,对这些组合进行双向流固耦合作用下的涡激振动数值模拟,得到相关数据,分析不同因素以及不同水平参数对立管涡激振动的影响。研究表明:在相同前提下,纤维复合材料海洋立管不论在横流向上的振动幅值还是在顺流向上的振动幅值,都比传统金属海洋立管大且立管越长、流速...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种类型的海洋平台及立管系统
山东理工大学硕士学位论文第二章纤维复合材料海洋立管和涡激振动的基础理论112.4涡激振动的原理及相关参数2.4.1涡激振动的原理在海洋工程研究领域，大部分为圆柱形截面构件，这也导致圆柱形成为模型试验和数值模拟研究的首选形状。当流体流经圆柱体时，在结构的后面上下两侧交替性地发生漩涡的生成和脱落从而产生顺流向和横流向的流体力作用于结构上，如图2.1(a)所示；而流体力又使结构在这两个方向产生压力差而发生振动，如图2.1(b)所示。漩涡的生成和脱落产生两个方向的流体力导致结构发生振动，结构的振动又会反过来影响流场下一次漩涡的生成与脱落，这种流场和结构之间的相互作用过程引起的振动被称为“涡激振动”，其运动具有多自由度、非线性的特点。(a)流体力方向(b)振动方向图2.1涡激振动原理图Fig.2.1Vortex-inducedvibrationprinciple2.4.2雷诺数雷诺数是研究涡激振动流体参数的主要参数之一，是流体中惯性力与粘滞力的比值，可以反映出层流向湍流转变尺度的大小，由此可以判断流场当前的流动状态。ReUDUD（2.1）其中：U为来流速度；ρ为流体密度；D为圆柱直径；为动力学粘性系数；为运动学粘性系数。雷诺数影响着尾涡的脱落形式，流场中圆柱体的尾流漩涡脱落的形态随雷诺数的变化，如图2.2[74]所示。(a)(b)(c)
山东理工大学硕士学位论文第二章纤维复合材料海洋立管和涡激振动的基础理论12(d)(e)(f)图2.2漩涡脱落形态与雷诺数的关系Fig.2.2RelationshipbetweenvortexsheddingandReynoldsnumber当Re较低时，如图2.2(a)所示，流体能平稳的流过，圆柱体与流体不分离；当(5-15)<Re<40时，如图2.2(b)所示，圆柱体后面会出现一对漩涡，且附着于圆柱后方并不会脱落；当40<Re<150时，如图2.2(c)所示，尾流漩涡交替脱落，形成卡门涡街；当150<Re<3×105时，如图2.1(d)所示。值得一提的是，当雷诺数在[150，300]时，尾流的湍流效应开始显现，开始向湍流过度；当雷诺数在[300，3×105]时，表层流动状态转变为湍流，尾流中的漩涡以非常规则的周期进行脱落，这一临界区域又被称作亚临界区域；当3×105<Re<3.5×106时，如图2.2(e)所示，尾流中漩涡脱落变得杂乱无章，周期性消失；此后Re继续增大到超临界雷诺数区域，即Re>3.5×106，如图2.2(f)所示，尾流中漩涡的脱落又开始的变的有规律起来。2.4.3斯特劳哈尔数物理学家斯特劳哈尔（Strouhal）是世界上最早研究涡街现象的人，他在研究风吹过金属丝发出声音时创立了此数。斯特劳哈尔数（Strouhalnumber）是在流体力学中讨论物理相似与模化时引入的相似准则，该数是描述绕流圆柱漩涡脱落频率fs的特征参数，如公式（2.2）所示。立管的振动频率与漩涡的脱落频率有关，但理论上求解漩涡脱落频率相当困难，因此实际工程中一般用斯特劳哈尔数来确定漩涡脱落的频率。立管的自振频率是涡激振动VIV分析中的关键性因素，因为当立管的自振频率接近涡旋脱落频率时会发生“锁振”。由于大幅度和破坏性的振动，“锁振”现象将导致立管的疲劳失效。StsfDU（2.2）其中：fs为漩涡脱落频率；U为来流速度；D为立管直径。
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋热塑性增强管（RTP）涡激振动数值计算[J]. 芮雪,陈东阳,王国平. 力学学报. 2020(01)
[2]海流对涡激振动的影响[J]. 彭斌. 中国水运(下半月). 2019(12)
[3]海洋钻井隔水管横向振动机理的研究[J]. 韩春杰,郭明,王祥旭,闫铁. 化工自动化及仪表. 2019(12)
[4]基于流固耦合作用的纤维增强复合材料海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟[J]. 葛士权,王春光,孙明钰,王有镗. 济南大学学报(自然科学版). 2020(01)
[5]图像测量技术在海洋工程管线振动模型实验中的应用研究[J]. 杜海,孟娟,李木国,吴浩,陈兵. 实验室科学. 2019(05)
[6]考虑顺流向和横流向耦合作用的海洋立管涡激振动响应特性[J]. 柳军,郭晓强,刘清友,王国荣,何玉发,李建. 石油学报. 2019(10)
[7]细长圆柱体涡激振动行波动力学特征的实验研究[J]. 隋国策,段梦兰,武晓东. 动力学与控制学报. 2019(06)
[8]海洋结构物动力实验设计与实践[J]. 娄敏,张耘晗. 实验技术与管理. 2019(09)
[9]振荡流下细长柔性圆柱涡激振动数值分析[J]. 邓迪,付博文,万德成. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(04)
[10]海洋立管涡激振动新型抑制装置研究[J]. 李云龙,顾继俊. 管道技术与设备. 2019(04)
硕士论文
[1]多因素影响下柱体绕流及其涡激振动特性研究[D]. 孔祥鑫.青岛科技大学 2018
[2]多参数联合作用下的海洋立管涡激振动研究[D]. 崔阳阳.山东理工大学 2018
[3]波流联合作用下输流海洋立管流固耦合振动特性研究[D]. 丁云.昆明理工大学 2018
[4]考虑来流角的四圆柱绕流与涡激振动试验及数值研究[D]. 杨康.浙江大学 2018
[5]复合材料海洋立管屈曲和止屈研究[D]. 陈传杰.哈尔滨工业大学 2017
[6]粗糙圆柱体涡激振动响应数值模拟[D]. 杨家栋.西南石油大学 2017
[7]复合材料悬链线立管的数值模拟和优化设计[D]. 王竹.华中科技大学 2017
[8]液力减振器结构异响形成过程的流固耦合仿真与分析[D]. 汪明明.重庆大学 2014
[9]纤维缠绕增强复合管外压及组合荷载下的屈曲性能研究[D]. 王诺思.浙江大学 2013
[10]钢丝缠绕增强塑料复合管外压失稳研究[D]. 朱彦聪.浙江大学 2007
本文编号：3496481
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种类型的海洋平台及立管系统
山东理工大学硕士学位论文第二章纤维复合材料海洋立管和涡激振动的基础理论112.4涡激振动的原理及相关参数2.4.1涡激振动的原理在海洋工程研究领域，大部分为圆柱形截面构件，这也导致圆柱形成为模型试验和数值模拟研究的首选形状。当流体流经圆柱体时，在结构的后面上下两侧交替性地发生漩涡的生成和脱落从而产生顺流向和横流向的流体力作用于结构上，如图2.1(a)所示；而流体力又使结构在这两个方向产生压力差而发生振动，如图2.1(b)所示。漩涡的生成和脱落产生两个方向的流体力导致结构发生振动，结构的振动又会反过来影响流场下一次漩涡的生成与脱落，这种流场和结构之间的相互作用过程引起的振动被称为“涡激振动”，其运动具有多自由度、非线性的特点。(a)流体力方向(b)振动方向图2.1涡激振动原理图Fig.2.1Vortex-inducedvibrationprinciple2.4.2雷诺数雷诺数是研究涡激振动流体参数的主要参数之一，是流体中惯性力与粘滞力的比值，可以反映出层流向湍流转变尺度的大小，由此可以判断流场当前的流动状态。ReUDUD（2.1）其中：U为来流速度；ρ为流体密度；D为圆柱直径；为动力学粘性系数；为运动学粘性系数。雷诺数影响着尾涡的脱落形式，流场中圆柱体的尾流漩涡脱落的形态随雷诺数的变化，如图2.2[74]所示。(a)(b)(c)
山东理工大学硕士学位论文第二章纤维复合材料海洋立管和涡激振动的基础理论12(d)(e)(f)图2.2漩涡脱落形态与雷诺数的关系Fig.2.2RelationshipbetweenvortexsheddingandReynoldsnumber当Re较低时，如图2.2(a)所示，流体能平稳的流过，圆柱体与流体不分离；当(5-15)<Re<40时，如图2.2(b)所示，圆柱体后面会出现一对漩涡，且附着于圆柱后方并不会脱落；当40<Re<150时，如图2.2(c)所示，尾流漩涡交替脱落，形成卡门涡街；当150<Re<3×105时，如图2.1(d)所示。值得一提的是，当雷诺数在[150，300]时，尾流的湍流效应开始显现，开始向湍流过度；当雷诺数在[300，3×105]时，表层流动状态转变为湍流，尾流中的漩涡以非常规则的周期进行脱落，这一临界区域又被称作亚临界区域；当3×105<Re<3.5×106时，如图2.2(e)所示，尾流中漩涡脱落变得杂乱无章，周期性消失；此后Re继续增大到超临界雷诺数区域，即Re>3.5×106，如图2.2(f)所示，尾流中漩涡的脱落又开始的变的有规律起来。2.4.3斯特劳哈尔数物理学家斯特劳哈尔（Strouhal）是世界上最早研究涡街现象的人，他在研究风吹过金属丝发出声音时创立了此数。斯特劳哈尔数（Strouhalnumber）是在流体力学中讨论物理相似与模化时引入的相似准则，该数是描述绕流圆柱漩涡脱落频率fs的特征参数，如公式（2.2）所示。立管的振动频率与漩涡的脱落频率有关，但理论上求解漩涡脱落频率相当困难，因此实际工程中一般用斯特劳哈尔数来确定漩涡脱落的频率。立管的自振频率是涡激振动VIV分析中的关键性因素，因为当立管的自振频率接近涡旋脱落频率时会发生“锁振”。由于大幅度和破坏性的振动，“锁振”现象将导致立管的疲劳失效。StsfDU（2.2）其中：fs为漩涡脱落频率；U为来流速度；D为立管直径。
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋热塑性增强管（RTP）涡激振动数值计算[J]. 芮雪,陈东阳,王国平. 力学学报. 2020(01)
[2]海流对涡激振动的影响[J]. 彭斌. 中国水运(下半月). 2019(12)
[3]海洋钻井隔水管横向振动机理的研究[J]. 韩春杰,郭明,王祥旭,闫铁. 化工自动化及仪表. 2019(12)
[4]基于流固耦合作用的纤维增强复合材料海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟[J]. 葛士权,王春光,孙明钰,王有镗. 济南大学学报(自然科学版). 2020(01)
[5]图像测量技术在海洋工程管线振动模型实验中的应用研究[J]. 杜海,孟娟,李木国,吴浩,陈兵. 实验室科学. 2019(05)
[6]考虑顺流向和横流向耦合作用的海洋立管涡激振动响应特性[J]. 柳军,郭晓强,刘清友,王国荣,何玉发,李建. 石油学报. 2019(10)
[7]细长圆柱体涡激振动行波动力学特征的实验研究[J]. 隋国策,段梦兰,武晓东. 动力学与控制学报. 2019(06)
[8]海洋结构物动力实验设计与实践[J]. 娄敏,张耘晗. 实验技术与管理. 2019(09)
[9]振荡流下细长柔性圆柱涡激振动数值分析[J]. 邓迪,付博文,万德成. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(04)
[10]海洋立管涡激振动新型抑制装置研究[J]. 李云龙,顾继俊. 管道技术与设备. 2019(04)
硕士论文
[1]多因素影响下柱体绕流及其涡激振动特性研究[D]. 孔祥鑫.青岛科技大学 2018
[2]多参数联合作用下的海洋立管涡激振动研究[D]. 崔阳阳.山东理工大学 2018
[3]波流联合作用下输流海洋立管流固耦合振动特性研究[D]. 丁云.昆明理工大学 2018
[4]考虑来流角的四圆柱绕流与涡激振动试验及数值研究[D]. 杨康.浙江大学 2018
[5]复合材料海洋立管屈曲和止屈研究[D]. 陈传杰.哈尔滨工业大学 2017
[6]粗糙圆柱体涡激振动响应数值模拟[D]. 杨家栋.西南石油大学 2017
[7]复合材料悬链线立管的数值模拟和优化设计[D]. 王竹.华中科技大学 2017
[8]液力减振器结构异响形成过程的流固耦合仿真与分析[D]. 汪明明.重庆大学 2014
[9]纤维缠绕增强复合管外压及组合荷载下的屈曲性能研究[D]. 王诺思.浙江大学 2013
[10]钢丝缠绕增强塑料复合管外压失稳研究[D]. 朱彦聪.浙江大学 2007
本文编号：3496481
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