深海立管相互碰撞的响应规律研究

发布时间：2020-03-22 11:15

【摘要】：随着社会经济的不断发展,目前国内外对能源的需求仍呈逐年上升趋势。面对陆地资源已探明储量不足、开采难度大的严峻现状,蕴藏着丰富能源资源的海洋势必会成为今后世界各国能源开发与利用的主要途径。随着油气开采逐步向深海推进,对深海平台及其配套设备的设计与优化已经成为了当今海洋工程领域相关学者们的研究热点之一。深海立管是深海油气钻采平台的重要组成部分。在外部载荷以及管内油气的共同作用下,相邻立管之间可能会发生碰撞,这会严重影响立管的使用寿命甚至可能引发次生灾害。本文旨在揭示复杂工况、海况下深海立管碰撞动力响应特性的内在规律,以期能为今后深海立管系统的设计与改进提供参考和依据。本文总结了立管碰撞分析的基本理论和研究方法,并研究了立管间相互碰撞的内在机理及诱因。采用Fluent软件模拟了串列双立管的静止绕流过程,并分析了立管间距、雷诺数和立管直径比等因素对立管运动以及绕流特性的影响,从而得到了尾流遮蔽效应及涡激振动诱导立管碰撞的具体作用机理。采用ABAQUS软件模拟了立管间的局部碰撞过程。总结了可能对立管碰撞特性产生影响的敏感性因素,对不同参数条件下的深海立管分别在理想环境以及外部水环境中的碰撞响应特性进行了对比分析,并以此研究了水动力耦合作用对立管碰撞的影响。此外,考虑到深水立管的实际受力情况,本文还尝试采用ABAQUS/CAE中的Co-execution耦合分析方法研究了立管与管内流体之间的流固耦合相互作用,为今后立管碰撞理论的进一步完善奠定了基础。最后,基于数值模拟和回归分析,提出了四因素三水平的立管碰撞响应面分析方法。采用Design-Expert软件的BOX设计,对立管的非线性碰撞过程中的碰撞力峰值、碰撞应力峰值和最大径向位移等三个试验指标进行回归分析并分别建立了二次响应面回归模型。通过将响应面分析所得最优化解与有限元计算结果的对比,最终验证了本文响应面分析方法及所得模型的准确性。
【图文】：

正弦值和余弦值，如下式(2-12)-13)中的毕达哥拉斯方程得到。cosiiizl ， siniiixl 1ix ，i i 1iz z z ，2i i l x

中国计量大学硕士学位论文对于不可压缩的粘性流体，其运动规律可用 N-S 方程来进行描述，，其连续性方程和动量方程分别为：0jjux (2-32) 1i ij ij i j ju puu ut x x x x (2-33)式中，i, j =1,2,3； ρ 表示流体的密度；υ表示流体运动粘性系数。计算域长和宽分别为 1.6m 和 0.8m；左侧设为来流入口，来流速度为0.01m/s；右侧为出口。当研究立管间距对串列立管绕流的影响时，两直径均取0.02m。计算域模型建立完毕后，进行网格的划分，本文采用三角形的非结构化网格。下图 2.6 和 2.7 为立管间距为 2d 时的网格划分情况。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE95

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本文编号：2594959