考慮內(nèi)流的細長柔性立管渦激振動數(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，其下端一般與萬向節(jié)相連，上端則可連于平臺的滑移節(jié)或鉆探船舶等。海洋立管內(nèi)部通過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。當水流以一定的流速流過立管等柱狀物時，立管兩側(cè)會交替產(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，而立管的振動又會改變其尾流結(jié)構(gòu)，兩者相互作用影響。當管內(nèi)流質(zhì)以一定流速通過發(fā)生渦激振動（彎曲振動）的立管時

2、，管內(nèi)流體將會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)流場從直管的哈根-泊肅葉流轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪?helical flow)。內(nèi)流場的改變對應(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)生渦激振動以外的附加振動?？梢?，細長柔性立管在內(nèi)、外部流動的共同作用下的振動響應(yīng)問題是一個非常復(fù)雜、高度非線性的流固耦合問題。
　　盡管對立管渦激振動響應(yīng)的研究開展較早，但考慮內(nèi)流的立管渦激振動的研究成果

3、并不多。本文采用浸入邊界法(immersed boundary method)來實現(xiàn)流固耦合的數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了并行計算程序CgLES IBM，結(jié)合自行開發(fā)的隱式結(jié)構(gòu)動力求解器X-code，實現(xiàn)了對考慮內(nèi)流的細長柔性立管渦激振動的數(shù)值模擬。本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.對僅考慮橫流向渦激振動的柔性立管進行數(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特點，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量比

4、柔性立管對內(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。
　　2.對考慮兩向渦激振動的柔性立管進行數(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特點，并與僅考慮橫流向振動的立管模型進行對比，發(fā)現(xiàn)順流向的彎曲振動會加強橫流向的振幅，內(nèi)流的出現(xiàn)將會導(dǎo)致參與振動的振型數(shù)增加等。
　　3.對柔性立管的尾流場進行研究，發(fā)現(xiàn)柔性立管的尾流場表現(xiàn)

5、出了很強的三維性特征，本文的算例都表現(xiàn)出了駐波振動特征，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)致尾流特征長度發(fā)生了一定的變化。
　　4.對渦激振動下輸流立管內(nèi)流場的二次流效應(yīng)進行研究，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，內(nèi)流場可以形成一對或幾對反向旋轉(zhuǎn)的流向渦渦對。在整個振動周期內(nèi)，流向渦渦對的數(shù)目和位置隨著立管的運動狀況發(fā)生著周期性變化，且流向渦渦對數(shù)目增加后，立管內(nèi)流場的流向渦三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。通過流體不穩(wěn)定性理論，進一步