考虑内流的细长柔性立管涡激振动数值模拟研究

发布时间：2017-04-01 18:16

  本文关键词：考虑内流的细长柔性立管涡激振动数值模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海洋立管作为联系海底与海面的油气通道,在现代海洋工程结构系统中被广泛应用,其下端一般与万向节相连,上端则可连于平台的滑移节或钻探船舶等。海洋立管内部通过具有一定流速且高压的液体或气体,外部则承受波浪、水流的作用。当水流以一定的流速流过立管等柱状物时,立管两侧会交替产生泄涡,泄涡使立管受到横向及流向的周期外部流体力,引发立管涡激振动,而立管的振动又会改变其尾流结构,两者相互作用影响。当管内流质以一定流速通过发生涡激振动(弯曲振动)的立管时,管内流体将会受到离心力和科氏力作用,在一定条件下出现二次流(secondary flow),使内流场从直管的哈根-泊肃叶流转变为螺旋流(helical flow)。内流场的改变对应内部流体力的变化,而这些力作用在立管上,使立管发生涡激振动以外的附加振动。可见,细长柔性立管在内、外部流动的共同作用下的振动响应问题是一个非常复杂、高度非线性的流固耦合问题。尽管对立管涡激振动响应的研究开展较早,但考虑内流的立管涡激振动的研究成果并不多。本文采用浸入边界法(immersed boundary method)来实现流固耦合的数值模拟,并在此基础上开发了并行计算程序Cg LES IBM,结合自行开发的隐式结构动力求解器X-code,实现了对考虑内流的细长柔性立管涡激振动的数值模拟。本文主要的研究内容和结果如下:1.对仅考虑横流向涡激振动的柔性立管进行数值模拟研究,模拟中考虑内流流速、质量比等因素的影响,并考察柔性立管前三阶振型下的涡激振动特点,发现低质量比柔性立管对内流的响应更明显,内流的出现降低了立管的固有频率,随着内流流速的增大横流向的振幅反而下降等特点。2.对考虑两向涡激振动的柔性立管进行数值模拟研究,模拟中考虑内流流速、质量比等因素的影响,并考察柔性立管前三阶振型下的涡激振动特点,并与仅考虑横流向振动的立管模型进行对比,发现顺流向的弯曲振动会加强横流向的振幅,内流的出现将会导致参与振动的振型数增加等。3.对柔性立管的尾流场进行研究,发现柔性立管的尾流场表现出了很强的三维性特征,本文的算例都表现出了驻波振动特征,尾涡模式为平行交叉泻涡,尾流模式较为复杂。内流的出现导致尾流特征长度发生了一定的变化。4.对涡激振动下输流立管内流场的二次流效应进行研究,发现在一定条件下,内流场可以形成一对或几对反向旋转的流向涡涡对。在整个振动周期内,流向涡涡对的数目和位置随着立管的运动状况发生着周期性变化,且流向涡涡对数目增加后,立管内流场的流向涡三维结构发生了很大变化。通过流体不稳定性理论,进一步对立管内流场的周期性变化和三维性等特征进行了解释。
【关键词】：柔性立管 涡激振动 内流 二次流 流向涡
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P756.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 研究背景及意义12-17
• 1.2 涡激振动的研究方法17-19
• 1.2.1 数值研究方法17-19
• 1.2.2 实验研究方法19
• 1.3 国内外研究现状及问题19-27
• 1.3.1 考虑内流的柔性立管涡激振动响应19-23
• 1.3.2 输流管道的内流场结构23-24
• 1.3.3 圆柱涡激振动的外流尾流模态24-27
• 1.4 本文主要研究内容27-28
• 第二章 柔性圆柱的涡激振动28-51
• 2.1 基本概念28-35
• 2.1.1 立管的类型28-29
• 2.1.2 结构的基本参数29-31
• 2.1.3 涡激振动的基本概念31-32
• 2.1.4 涡激振动的控制参数32-34
• 2.1.5 涡激振动中的几个频率34
• 2.1.6 关于锁定34-35
• 2.2 柔性立管的模态分析35-40
• 2.2.1 有限元模态分析方法35-36
• 2.2.2 梁的固有频率和固有振型的解析解36-37
• 2.2.3 考虑轴向力的梁的固有频率和固有振型的解析解37
• 2.2.4 考虑内流的立管固有频率37-39
• 2.2.5 柔性立管的弯曲形态39-40
• 2.3 输流管道振动特性40-42
• 2.3.1 临界流速Vcr41-42
• 2.4 二次流42-51
• 2.4.1 二次流现象42-43
• 2.4.2 微分几何及Frenet标 架理论43-46
• 2.4.3 控制二次流的基本参数46-48
• 2.4.4 流向涡48-49
• 2.4.5 临界迪恩数Dncritical49-51
• 第三章 数值模拟方法51-61
• 3.1 浸入边界法概述51-52
• 3.2 浸入边界法原理52-54
• 3.2.1 传统浸入边界法52-53
• 3.2.2 嵌入式迭代浸入边界法53-54
• 3.3 浸入边界法的插值函数和分布函数54-55
• 3.4 结构动力求解方法55-59
• 3.4.1 质量矩阵57
• 3.4.2 刚度矩阵57-58
• 3.4.3 阻尼矩阵58-59
• 3.5 流固耦合方法实现59-61
• 第四章 考虑内流的柔性立管涡激振动61-105
• 4.1 计算区域边界条件和网格划分61-63
• 4.2 计算参数63-64
• 4.3 模态分解64-65
• 4.4 Hilbert变换及x-y振动同步性65-66
• 4.5 仅横流向振动的高质量比输流立管的涡激振动响应66-71
• 4.5.1 振动特性66-69
• 4.5.2 能量谱69-70
• 4.5.3 振幅及振动特征位置70-71
• 4.6 仅横流向振动的低质量比输流立管的涡激振动响应71-74
• 4.6.1 振动特性71-74
• 4.6.2 能量谱74
• 4.6.3 振幅及振动特征位置74
• 4.7 考虑双向振动的高质量比输流立管的涡激振动响应74-90
• 4.7.1 振动特性74-80
• 4.7.2 能量谱80-83
• 4.7.3 振动轨迹及x-y振 动同步性83-86
• 4.7.4 振幅及平衡位置86-90
• 4.8 考虑双向振动的低质量比输流立管的涡激振动响应90-99
• 4.8.1 振动特性90-93
• 4.8.2 能量谱93-95
• 4.8.3 振动轨迹及x-y振 动同步性95-96
• 4.8.4 振幅及平衡位置96-99
• 4.9 柔性立管涡激振动的尾流模式99-105
• 4.9.1 尾涡空间特征101-105
• 第五章 涡激振动下的立管内流场105-121
• 5.1 仅横流向振动的输流立管内流场105-113
• 5.1.1 输流立管内流场的流向涡三维结构105-108
• 5.1.2 输流立管内流场的流向涡的时程变化108
• 5.1.3 输流立管内流场的流向涡演变机理108-113
• 5.2 两向振动的输流立管内流场113-121
• 5.2.1 输流立管内流场的流向涡三维结构114-116
• 5.2.2 输流立管内流场的流向涡的时程变化116-117
• 5.2.3 输流立管内流场的流向涡演变机理117-121
• 第六章 结论与展望121-125
• 6.1 本文创新点121-122
• 6.2 主要结论122-123
• 6.2.1 考虑内流的立管涡激振动122-123
• 6.2.2 涡激振动下的立管内流场123
• 6.3 工作展望123-125
• 参考文献125-131
• 发表论文和参加科研情况说明131-132
• 致谢132-133

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