16306.多根控制桿對(duì)細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)抑制作用的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究

1、博士學(xué)位論文多根控制桿對(duì)細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)抑制作用的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究Experimentalandnumericalstudiesonthesuppressionofvortexinducedvibrationoflongflexibleriserbymultiplecontrolrods學(xué)號(hào)：10鹼四71大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要渦激振動(dòng)是導(dǎo)致深海立管發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以

2、及疲勞破壞的重要原因之一，實(shí)際工程中為減小或者消除渦激振動(dòng)的影響，增加深海立管的安全使用壽命，往往需要使用渦激振動(dòng)抑制措施。我國渦激振動(dòng)抑制措施的研究工作與國外相比還存在很大差距，尤其是針對(duì)大長細(xì)比柔性立管方面的研究仍非常有限。深海油氣開發(fā)工程的快速發(fā)展，迫切需要開展細(xì)長柔性立管渦激振動(dòng)抑制措施的創(chuàng)新性研究工作。本文依托國家863計(jì)劃項(xiàng)目，提出了一種新型的多根控制桿渦激振動(dòng)抑制措施，通過水池大尺度實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以細(xì)長柔性立

3、管作為主要研究對(duì)象，對(duì)多根控制桿抑制措施的抑制效果、抑制性能的影響因素和抑制機(jī)理進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，并就多根圓柱體渦激振動(dòng)問題進(jìn)行了一些基礎(chǔ)理論研究探索。文中首先簡要介紹了渦激振動(dòng)的基本理論，主要包括圓柱體渦激振動(dòng)基本概念，研究中涉及的主要無量綱參數(shù)，以及渦激振動(dòng)的研究方法。第三章開展了水池大尺度實(shí)驗(yàn)，利用拖曳方法產(chǎn)生均勻流，綜合考慮來流方向、間距和覆蓋率對(duì)抑制性能和張力的影響，比較系統(tǒng)地研究了多根控制桿抑制措施對(duì)大長細(xì)比柔性立管渦激

4、振動(dòng)的抑制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多根控制桿對(duì)立管渦激振動(dòng)響應(yīng)有非常顯著的抑制作用，能夠同時(shí)消減立管CF和IL兩個(gè)方向最高達(dá)90％的位移響應(yīng)，使疲勞破壞減小2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且由多根控制桿造成的張力增加不明顯。抑制性能對(duì)來流方向具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，間距越小、覆蓋率越高則抑制效果越好，文中給出了建議優(yōu)化的間距和覆蓋率。第四章利用二維數(shù)值模擬方法研究了多根圓柱體橫向受迫振動(dòng)問題。首先通過計(jì)算單根圓柱體固定繞流和橫向受迫振動(dòng)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證，然后

5、利用該模型對(duì)多根圓柱體固定繞流和橫向受迫振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率接近于固定不動(dòng)時(shí)的渦脫落頻率時(shí)，流體一結(jié)構(gòu)能量傳遞關(guān)系、結(jié)構(gòu)位移和升力的相位關(guān)系以及渦脫落模式會(huì)都會(huì)發(fā)生顯著的改變，從而造成了升力振幅和振蕩模態(tài)的突變。通過分析單圓柱和不同來流角下多圓柱的渦脫落模式和流體壓力分布，揭示了多根控制桿抑制措施對(duì)立管渦激振動(dòng)的抑制機(jī)理。第五章基于切片法建立了準(zhǔn)三維流固耦合數(shù)值模型，通過引入并行計(jì)算技術(shù)，顯著提高了數(shù)值計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)了