圆柱型立管受迫振动对水动力特性影响的数值分析

发布时间：2020-07-10 18:24

【摘要】：深海油气资源的勘探和开发过程中,海洋立管作为海面与海底井口的主要链接部件,其设计与制造是深海技术关键性高新技术之一。海洋立管这类圆柱型结构在一定来流下会发生涡激振动,进而可能导致结构的疲劳破坏,造成巨大经济损失和生态灾难,对该问题的研究具有重要工程意义。圆柱型立管受迫振动能有效反映结构振荡对结构受力和尾涡的影响、结构与流场间的能量传递信息,本文采用数值方法,聚焦研究圆柱型立管受迫振动对水动力特性的影响。利用CFD软件OpenFOAM研究了雷诺数Re=150下直圆柱和波型圆柱在均匀来流中的横向受迫振动。通过改变运动圆柱的振动频率和振幅,对比分析直圆柱和波型圆柱所受的升、阻力,确定各自的锁定区间,分析在锁定状态下升力及尾涡的变化特性。数值分析表明:虽然波型圆柱在静止情况下可完全抑制卡门涡街,但在受迫振动下其升、阻力随着振动频率的变化趋势与直圆柱相似。波型圆柱对升力和阻力的抑制分别体现在低频和高频段。升力曲线在锁定和非锁定状态下表现不同。研究发现,在锁定状态下,直圆柱尾流区的泻涡模式由振动频率控制,存在2S和C(2S)两种模式;在波型圆柱尾流区出现唯一的一种泻涡模式。利用CFD软件Nektar++开展了雷诺数Re=500下直圆柱横向受迫振动的三维数值模拟分析。在固定振幅下,以频率递增和频率递减两种方式研究三维情况下的水动力学特性。数值分析表明:升、阻力系数、能量传递系数E及相位差的变化曲线均存在滞回现象。频率递增方式下,所有突变发生在上临界频率处;频率递减方式下,则均发生在下临界频率处。不同方向的振动频率遍历下,锁定区间一致,其较基于二维数值计算的结果更宽;圆柱运动时程与升力时程间的相位差落在0—180°区间内时,对应正的能量传递系数E,否则,对应负的能量传递系数E。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE95
【图文】：

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第一章绪论1.1 选题背景与依据党的十九大报告提出我国要加快建设海洋强国，而如何实现深海技术的跨越式发展已成为我国跨入海洋强国所遇到的重大挑战。如图 1-1 所示，我国南海蕴藏着丰富的油气资源，约占我国石油总资源的三分之一，其中深海海域的油气开发对保证我国国民经济的可持续健康发展具有重要的战略意义。然而，与国际先进水平相比，我国在深水、绿色、安全的海洋高新技术领域的核心技术、设备和系统的研发水平亟待提高。深海油气资源的勘探和开发，需要海洋工程提供最先进的技术与装备，其中作为海面与海底井口间的主要链接部件，海洋立管的设计与制造是深海技术关键性高新技术之一。目前，海洋立管有多种形式，钢悬链线立管(Steel Catenary Riser，SCR)、顶部张紧立管(Top Tensioned Riser，TTR)、混合立管(Hybrid Riser，HR)等，见图 1-2 所示。

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上海交通大学硕士学位论文。TTR 立管设计时应当从多方面因素考虑以避免干涉发生的危险，合理间距以有效减小干涉发生的可能[3, 4]。HR 立管，通常又称为自由站立式式立管，是由一段垂直于海床的刚性立管和一段连接刚性立管与浮式生柔性跳接管组合而成，在降低浮式生产装置和立管系统的运动耦合度以劳损伤等方面具有独特的优势，2010 年应用到墨西哥湾的 Cascook 项目中，水深达到 2600 米[5, 6]。海洋立管这类结构通常处于洋流作用之下，会发生持续的大幅振动，其在于来流经钝体形成的旋涡脱落所引起的流体与结构之间的耦合效应—（Vortex-Induced Vibration，简称 VIV）。该持续的大幅度振动可能导致发生疲劳破坏，据报道，包括因海洋立管等水下管线损坏导致严重事故目前已有 60 余座海洋平台翻沉海底。图 1-3 展示了这些海洋工程事故对安全与生态环境造成的巨大破坏。故开展立管涡激振动的研究对避免该故具有重要的指导意义。

【参考文献】