海底管線管跨結(jié)構(gòu)渦致耦合振動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、海底管線是海洋油氣集輸與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分，被喻為海上油氣田的“生命線”，在海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)利用中發(fā)揮著重大作用，海底管線的安全正常運(yùn)行是海上油氣田安全生產(chǎn)的重要保證。海底管線管跨結(jié)構(gòu)由于具有特殊的結(jié)構(gòu)形式，在海流作用下會(huì)發(fā)生復(fù)雜的渦致振動(dòng)以及頻率“鎖定”現(xiàn)象，并誘發(fā)流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及疲勞破壞是海底管線損傷的重要形式。 針對(duì)海底管線管跨結(jié)構(gòu)的渦致耦合振動(dòng)問(wèn)題，考慮到二維流場(chǎng)數(shù)值模擬的局限性以及

2、管跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有軸向分布的特點(diǎn)，本文基于二維的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模式，以及考慮管內(nèi)流體流動(dòng)影響的管跨結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制方程，構(gòu)建了由水動(dòng)力模塊和結(jié)構(gòu)動(dòng)力模塊兩部分構(gòu)成的準(zhǔn)三維數(shù)值模型，用于描述海底管線管跨結(jié)構(gòu)的渦致振動(dòng)以及渦致振動(dòng)過(guò)程中流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。該模型的本質(zhì)是用二維模型求解三維問(wèn)題，其基本思想很大程度上體現(xiàn)在它的數(shù)值求解過(guò)程中。為了解決流固耦合數(shù)值研究中兩相介質(zhì)界面上力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的傳遞與協(xié)調(diào)問(wèn)題，本文在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)

3、上，提出了一種新的動(dòng)態(tài)塊結(jié)構(gòu)數(shù)值網(wǎng)格生成技術(shù)，該技術(shù)將包含壁面運(yùn)動(dòng)邊界的網(wǎng)格塊的運(yùn)動(dòng)與塊內(nèi)網(wǎng)格的變形結(jié)合起來(lái)，共同承擔(dān)因壁面邊界運(yùn)動(dòng)引起的域內(nèi)網(wǎng)格的變形，因此能夠滿足結(jié)構(gòu)大幅運(yùn)動(dòng)的需要，而不引起網(wǎng)格的畸變。 本文發(fā)展的準(zhǔn)三維數(shù)值模型與新的動(dòng)態(tài)塊結(jié)構(gòu)數(shù)值網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合，被成功應(yīng)用于海底管線管跨結(jié)構(gòu)渦致耦合振動(dòng)問(wèn)題的研究。通過(guò)數(shù)值算例，深入研究了渦致耦合振動(dòng)過(guò)程中管跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)力特性以及繞流流場(chǎng)的水動(dòng)力特性，詳細(xì)分析了渦致耦

4、合振動(dòng)的各種影響因素，探討了頻率“鎖定”以及流固耦合等非線性動(dòng)力特性和行為，并得出了相關(guān)的結(jié)論。為了深化對(duì)該渦致耦合動(dòng)力問(wèn)題的物理過(guò)程和機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)表面流體作用力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及海底管線管跨結(jié)構(gòu)渦致耦合振動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果，在海軍工程設(shè)計(jì)研究局港工實(shí)驗(yàn)室分別開(kāi)展了“近底繞流圓柱體表面動(dòng)水壓力分布”以及“海底管線管跨結(jié)構(gòu)渦致耦合振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的分析和對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值模型的有效性和適用