近壁面強(qiáng)迫振蕩圓柱水動(dòng)力特性研究.pdf

1、海底管道被廣泛應(yīng)用于海底油氣的運(yùn)輸。但由于海底環(huán)境的不平整或是沖刷作用等原因都可能在海底管道與海底之間產(chǎn)生一定的間隙,從而發(fā)展成懸跨管道。懸跨的出現(xiàn)使其在海流作用下形成周期性的漩渦,漩渦的交替脫落會(huì)使物體表面的壓力呈周期性的變化,繼而導(dǎo)致管道在垂直流向(Cross-Flow,簡(jiǎn)稱(chēng) CF)和順流向(In-Line,簡(jiǎn)稱(chēng) IL)發(fā)生振動(dòng),而管道的振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變尾渦結(jié)構(gòu),這種流固耦合的現(xiàn)象稱(chēng)之為渦激振動(dòng)(Vortex-Induced Vi

2、bration,簡(jiǎn)稱(chēng) VIV)。渦激振動(dòng)是決定海底管道的使用壽命、引發(fā)懸跨疲勞失效的主要原因之一。關(guān)于懸跨海底管道渦激振動(dòng)的問(wèn)題,可以簡(jiǎn)化為均勻來(lái)流下靠近壁面的振蕩圓柱水動(dòng)力特性問(wèn)題。現(xiàn)有的關(guān)于海底管道水動(dòng)力特性的研究主要是針對(duì)靜止圓柱,但當(dāng)渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí),管道水動(dòng)力特性將會(huì)發(fā)生變化,而關(guān)于近壁面振蕩圓柱水動(dòng)力特性的研究則十分稀少。此外,現(xiàn)有的用于預(yù)報(bào)立管渦激振動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù)數(shù)據(jù)一般都是由自由邊界圓柱強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)得到的,缺少用于預(yù)報(bào)海底

3、管道的渦激振動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù)。因此本文中所進(jìn)行的關(guān)于近壁面強(qiáng)迫振蕩圓柱水動(dòng)力特性研究對(duì)于了解海底管道的水動(dòng)力特性以及對(duì)其渦激振動(dòng)的預(yù)報(bào)均有十分重要的意義。
　　本文基于上述需求,對(duì)均勻來(lái)流時(shí)不同間隙比下垂直流向強(qiáng)迫振蕩光滑圓柱的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,詳細(xì)分析了各水動(dòng)力系數(shù)隨間隙比、振蕩頻率和振幅變化的規(guī)律,并進(jìn)行了高雷諾數(shù)下圓柱繞流的數(shù)值模擬。主要內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下；⑴對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于渦激振動(dòng)的研究方法以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),分析了圓柱

4、繞流泄渦機(jī)理,詳細(xì)闡釋了與渦激振蕩相關(guān)的關(guān)鍵物理參數(shù)及若干物理概念,回顧了對(duì)圓柱繞流相關(guān)水動(dòng)力特性的影響因素。⑵設(shè)計(jì)并完成了均勻來(lái)流下光滑圓柱垂直流向強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn),分析了雷諾數(shù)、間隙比、振蕩頻率和振幅變化對(duì)圓柱水動(dòng)力特性的影響,此外還分析了高階水動(dòng)力在總體升力和阻力中所占比重以及其影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在亞臨界區(qū)域內(nèi)使用低 Re數(shù)自由邊界圓柱強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)報(bào)實(shí)際海洋環(huán)境下的立管渦激振動(dòng)是合理的；近壁面的存在對(duì)強(qiáng)迫振蕩圓柱的水動(dòng)力

5、特性會(huì)產(chǎn)生較大的影響,通過(guò)自由邊界圓柱強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)所得到的水動(dòng)力系數(shù)不能直接用于預(yù)報(bào)海底管道的渦激振動(dòng)；自由邊界和近壁面圓柱在進(jìn)行強(qiáng)迫振蕩時(shí),其平均阻力系數(shù)、振蕩阻力系數(shù)和振蕩升力系數(shù)均隨無(wú)因次振幅A/D的增加而增大；在近壁面圓柱強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)中,高階振蕩升力和阻力系數(shù)幅值均較小,但其在小間隙比以及低頻率區(qū)域時(shí)所占比重仍然相當(dāng)可觀,不容忽視。⑶使用URANS方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型結(jié)合加強(qiáng)壁面處理方法在Re=1×105,5×105和1×106