考虑平台水平运动的顶部张紧式立管涡激振动数值研究

发布时间：2020-08-07 17:25

【摘要】：深海石油开采关键依托海面大型石油钻井平台,立管是连接海面平台与海底井口的通道。立管既要承受自重和顶张力这些静载荷,又要承受海流引起的涡激振动等动载荷。近些年随着海洋开采逐步向深海发展,立管的长细比迅速增长,更易激发出高阶模态的振动。涡激振动造成的疲劳损伤常会导致结构失效,甚至会导致重大事故的发生。因此,深海立管涡激振动已经成为海洋工程的重大课题。实际海况中,立管顶端的浮式平台常处于风、波、流之中,其会带动立管顶部在水中往复运动,从而形成立管和水之间的相对振荡流,这对立管的涡激振动有不小影响。目前关于平台运动下立管涡激振动的研究仍不多。本工作使用计算流体动力学方法和计算结构动力学方法研究平台水平运动下立管涡激振动。本研究中使用切片法减少流场计算量,在每个切片上结合SST k-ω湍流模型求解雷诺平均纳维 斯托克斯方程,并使用小位移伯努利 欧拉梁对立管进行有限元建模以求解振动。求解过程中使用支座激励来模拟平台的水平运动,即对立管的顶部施加强迫简谐运动。本文首先研究了振荡流中柔性圆柱涡激振动,横流向振动数值结果和试验吻合较好,从而验证了课题组自主开发的求解器viv-FOAM-SJTU模拟振荡流中涡激振动问题的有效性,并观察到了顺流向振动中的三种成分:低频振荡,立管转向时的一阶固有频率振动以及泻涡引起的二阶固有频率振动。随后本文对平台单一方向运动时立管涡激振动进行了数值计算,观察到了“X”,“II”,“O”三种轨线。其中竖直立管仅受到顶端激励,而水平圆柱两端激励,两者可等效为振荡流中的剪切流和均匀流。顶端激励下可在顺流向振动的高阶模态权重中观察到低阶振荡,这正是由于等效的振荡剪切流的剪切率造成的。本文对平台两个方向运动时立管涡激振动进行了计算,包含“∞”型和抛物线型两种平台运动形式。最后研究了顶端平台运动和来流共同作用下立管的涡激振动。有来流情况,由于顺流过程中相对流速较小,诱发的振动幅值较小,而逆流过程中相对流速较大,诱发的振动幅值较大,整体相比于无来流情况,振动幅值的波动周期翻倍。
【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】：TE952
【图文】：

考虑平台水平运动的顶部张紧式立管涡激振动数值研究 上海交通大学硕士学位论文在明显区别。最大的区别即为升力和阻力上出现的高次谐波。圆柱的振动轨线影响旋涡的脱落，从而影响了圆柱上力的大小和频率。圆柱在顺流向和横流向的自然频率之间的比值可能并非 ，由于有效附加质量的影响，当两个方向上都发生锁定时，顺流向和横流向方向之间的有效固有频率比总是 。这种情况被称为双共振[25]。系统会通过调整顺流向和横流向的有效附加质量的值来满足双共振条件，只要尾流中的涡可以持续提供适当的附加质量值双共振状态就可以保持。1.2.2 来流中立管涡激振动

文 Facchinetti 尾流振子模型与 直接数值模拟 振子模型对计算资源要求很低，可在各种析，如文献[54]模型已经包含在 OrcaFlex 中的简化模型，使用尾流 振子模型来求解流近些年出现了求解流体力的新模型，如文献练人工神经网络来预测基于最近速度历史在一些稳定性问题。，由于得到的偏微分方程变得更为复杂，导全耦合和强非线性偏微分方程需通过计算斯方程来进行 流固耦合 (FSI) 求解的时域的时间也可能从几小时到几天不等，但它模态。随着计算能力的提高，近些年计算流

图 1 6 振荡流中振动轨线[62]Figure 1 6 Vibration trajectories in oscillatory flows[62]1.2.3 振荡流中立管涡激振动来流引起的横流向涡激振动已经得到了广泛的研究[12, 15, 64]。相对而言，其他因素对涡激振动的影响得到的关注较少。海洋环境中，振荡的波浪和来流以各种形式和大小出现，它们既不是完全周期性的，也不是完全非周期性的。它们皆会引起立管或其它柱状结构周围的振荡流。文献[65]通过试验研究了 数从 1 到 40 振荡流通过圆柱时的涡旋，并将其分成不同的流动机制： 时附着对涡（非泻涡流型），时的单对泻涡流型， 时的两对泻涡流型， 时三对泻涡流型， 时四对泻涡流型。研究发现，圆柱上的水动力主要受 数和雷诺数的影响[66]。文献[67]详细研究了振荡流中，旋涡脱落状态与圆柱水动力作用之间的关系。振荡流中固定圆柱周围流场的数值研究是比较成功的，主要关注低雷诺数和低

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 王俊高;付世晓;许玉旺;宋磊建;;正弦振荡来流下柔性立管涡激振动发展过程[J];力学学报;2014年02期

本文编号：2784294