考慮內(nèi)流的細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、海洋立管作為聯(lián)系海底與海面的油氣通道，在現(xiàn)代海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，其下端一般與萬(wàn)向節(jié)相連，上端則可連于平臺(tái)的滑移節(jié)或鉆探船舶等。海洋立管內(nèi)部通過(guò)具有一定流速且高壓的液體或氣體，外部則承受波浪、水流的作用。當(dāng)水流以一定的流速流過(guò)立管等柱狀物時(shí)，立管兩側(cè)會(huì)交替產(chǎn)生泄渦，泄渦使立管受到橫向及流向的周期外部流體力，引發(fā)立管渦激振動(dòng)，而立管的振動(dòng)又會(huì)改變其尾流結(jié)構(gòu)，兩者相互作用影響。當(dāng)管內(nèi)流質(zhì)以一定流速通過(guò)發(fā)生渦激振動(dòng)（彎曲振動(dòng)）的立管時(shí)

2、，管內(nèi)流體將會(huì)受到離心力和科氏力作用，在一定條件下出現(xiàn)二次流(secondary flow)，使內(nèi)流場(chǎng)從直管的哈根-泊肅葉流轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪?helical flow)。內(nèi)流場(chǎng)的改變對(duì)應(yīng)內(nèi)部流體力的變化，而這些力作用在立管上，使立管發(fā)生渦激振動(dòng)以外的附加振動(dòng)?？梢?jiàn)，細(xì)長(zhǎng)柔性立管在內(nèi)、外部流動(dòng)的共同作用下的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜、高度非線(xiàn)性的流固耦合問(wèn)題。
　　盡管對(duì)立管渦激振動(dòng)響應(yīng)的研究開(kāi)展較早，但考慮內(nèi)流的立管渦激振動(dòng)的研究成果

3、并不多。本文采用浸入邊界法(immersed boundary method)來(lái)實(shí)現(xiàn)流固耦合的數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了并行計(jì)算程序CgLES IBM，結(jié)合自行開(kāi)發(fā)的隱式結(jié)構(gòu)動(dòng)力求解器X-code，實(shí)現(xiàn)了對(duì)考慮內(nèi)流的細(xì)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬。本文主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.對(duì)僅考慮橫流向渦激振動(dòng)的柔性立管進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬中考慮內(nèi)流流速、質(zhì)量比等因素的影響，并考察柔性立管前三階振型下的渦激振動(dòng)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量比

4、柔性立管對(duì)內(nèi)流的響應(yīng)更明顯，內(nèi)流的出現(xiàn)降低了立管的固有頻率，隨著內(nèi)流流速的增大橫流向的振幅反而下降等特點(diǎn)。
　　2.對(duì)考慮兩向渦激振動(dòng)的柔性立管進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬中考慮內(nèi)流流速、質(zhì)量比等因素的影響，并考察柔性立管前三階振型下的渦激振動(dòng)特點(diǎn)，并與僅考慮橫流向振動(dòng)的立管模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)順流向的彎曲振動(dòng)會(huì)加強(qiáng)橫流向的振幅，內(nèi)流的出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致參與振動(dòng)的振型數(shù)增加等。
　　3.對(duì)柔性立管的尾流場(chǎng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)柔性立管的尾流場(chǎng)表現(xiàn)

5、出了很強(qiáng)的三維性特征，本文的算例都表現(xiàn)出了駐波振動(dòng)特征，尾渦模式為平行交叉瀉渦，尾流模式較為復(fù)雜。內(nèi)流的出現(xiàn)導(dǎo)致尾流特征長(zhǎng)度發(fā)生了一定的變化。
　　4.對(duì)渦激振動(dòng)下輸流立管內(nèi)流場(chǎng)的二次流效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，內(nèi)流場(chǎng)可以形成一對(duì)或幾對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的流向渦渦對(duì)。在整個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，流向渦渦對(duì)的數(shù)目和位置隨著立管的運(yùn)動(dòng)狀況發(fā)生著周期性變化，且流向渦渦對(duì)數(shù)目增加后，立管內(nèi)流場(chǎng)的流向渦三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。通過(guò)流體不穩(wěn)定性理論，進(jìn)一步