波浪力和海流力及共同作用下阀门管线系统动力响应分析

发布时间：2020-03-28 07:22

【摘要】：陆地能源的紧缺使人们将开发的目光投向了深海资源,油气输送系统中深海阀门管线系统的安全性能则成为重点关注的部分。但水下环境复杂,波浪力及海流力等载荷不仅会引起阀门管线系统动力特性的改变,严重的还会引起管线共振,这将严重影响阀门管线系统的安全和使用寿命。本文基于目前国内外关于波、流力作用下水下结构动力响应及涡激振动问题的研究,探究了水下波、流力的分布,并就本次深海阀门管线系统在简谐动载荷作用下的动力响应和涡激振动现象进行研究,具体工作如下:(1)阐述了本次研究主要背景和研究意义,简述了国内外关于海洋波浪力、海流力及涡激振动现象的相关研究现状,介绍了用于计算波浪力、海流力的线性波理论、Morison公式法,以及预应力模态分析和谐响应分析的计算过程和理论。(2)结合线性波理论与Morison公式法,利用Matlab计算了不同水深下波浪力和波流力、海流力数值分布,依据数据绘制曲线并进行了总结。对比发现:波浪力、海流力、波流力均为简谐载荷,随着水深的增加,波浪力衰减极快,到达一定水深时,波浪力衰减至可忽略。此外,同一水深处对比数据表明,当波浪力所处区域有海流影响时,对波浪力影响很大,因此必须考虑波流力对阀门管线系统的影响。(3)浅海波流力会对结构物产生很大影响,本文结合Fluent软件与ANSYS Workbench软件,对阀门管线系统进行了预应力模态分析和谐响应动力分析。分析发现:两者趋势相同,但预应力模态下固有频率数值略高于干模态频率,主要原因是预应力的存在一定程度上增大了结构刚度;谐响应频率曲线表明:结构在第四阶、第五阶、第六阶频率即41Hz、61Hz、68Hz下达到峰值加速度。(4)进一步探究了深海处海流力产生的影响,对系统基于LES方法进行二维圆柱绕流分析并做FFT转换。通过涡脱云图发现了完整周期内漩涡脱落过程,并且升力曲线为简谐曲线,呈周期性分布;由功率谱密度曲线可得到漩涡泄放频率,计算发现阀门管线系统没有发生共振的危险。(5)探究了阀门管线系统分段支撑的临界悬跨长度下涡激振动现象。研究发现:采用动态和静态方法计算出的临界悬跨长度随支撑方式的变化而不同,两端固定时最长,两端简支时长度最短;计算发现f_s0.7f_p,因此阀门管线系统在临界跨长下不会发生共振。
【图文】：

主要参数,形式,静水面,自由表面

设浪运动研究时，首先假设波浪为理想流体、不可压缩并且运为光滑水平固壁，上部则是与空气接触的自由表面。由于重止状况时，，根据静力学原理，水平面为自由表面，即静水面（干扰作用下偏离了静水面时，重力的存在使自由表面又回体产生运动，这类运动不定常并以波的形式传播。海底是平坦且光滑的，海水静水深度为 d，此海域中有一速度为 c，并且波浪在向前传播过程中形态不发生任何变.1 所示，其中 XOY 坐标面是与静水面相重合的，现假定直向上方向为 Z 方向，而坐标原点设置为海底。如图 2.1要有：波高 H（波峰到波谷的距离）、波长 L（相邻两波峰（波峰或者波谷到下一个波峰或波谷所经历的时间）。设流( , , )x y z V V V ，自由表面高程： ( x , y , t)，现取传播方向与浪运动不存在 Y 方向的运动，因此与 Y 坐标无关。

曲线图,圆柱绕流,情况,分离点

所以波流共同作用力产生的影响显著。3.1.2 CM、CD、CL系数的选取应用莫里森公式时比较重要的问题就是如何对系数进行选取。现假定流动为定常均匀流，CD的大小是随参量值而变化的，最为主要的就是 Re 数， / eR V D，Schlichting[67]和 Hogben[68]给出了光滑圆柱体 CD随 Re 数的变化规律并依据尾流区情况和边界层分离位置划分为四个 Re 数区，如图 3.1 所示。其中包括：（1）亚临界区 Re<2x105，层流分离，宽尾流，分离点约为 82 ，CD≈1.2。（2）临界区 2x105<Re<5x105,窄尾流，层流向湍流过度，CD（min）≈0.3。（3）超临界区 5x105<Re<5x106，湍流分离，尾流逐渐加宽，分离点位于120 ~130 ，CD逐渐增大。（4）后临界区 Re>5x106,分离点约为 120 ，CD保持常数，约为 0.6~0.7。Sarpkaya[69]在综合考虑了各方面因数的影响后给出了与卡朋特数[70]（K VT /D）相关的 CD、CM、CL曲线图，如图 3.2、3.3、3.4 所示。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE973

【参考文献】