海洋立管渦致耦合振動CFD數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文基于計算流體力學(xué)(CFD)與計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)(CSD)方法,對圓柱體的渦激振動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同工況下柱體受力系數(shù)、振動幅值以及尾流漩渦脫落模式等變化規(guī)律,探索海洋立管的渦激振動機(jī)理;并進(jìn)一步研究帶抑振裝置圓柱體的渦激振動及抑振效果;在此基礎(chǔ)上,對多個圓柱體渦激振動的干涉問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;最后對深水立管結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)三維渦激振動數(shù)值模擬。具體內(nèi)容如下:
　　1、流體－圓柱體結(jié)構(gòu)耦合振動數(shù)值模擬方法研究在總結(jié)分析國內(nèi)外對

2、CFD流固耦合研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,本文考慮了渦激振動參數(shù)并結(jié)合CFD方法,建立流固耦合系統(tǒng)的渦致振動無量綱數(shù)值模型。選擇SSTk-ω)模型模擬流場變化,同時采用Newmark-β法控制柱體邊界的運動。最后給出流固耦合求解的具體實現(xiàn)方法,確定流固耦合數(shù)值模擬的求解流程,并編制相應(yīng)的計算程序。
　　2、單囂柱體渦激耦合振動數(shù)值模擬首先,以單圓柱體為基礎(chǔ)建立了單柱體渦激振動CFD數(shù)值模型,并編制fsi-xy.c結(jié)構(gòu)運動程序。通過得到的受力

3、系數(shù)與振幅變化規(guī)律,分析圓柱體在流體作用下的運動規(guī)律。給出尾流渦結(jié)構(gòu),揭示柱體振動與漩渦脫落模式間的關(guān)系。
　　3、帶抑振裝置柱體渦激耦合振動數(shù)值模擬應(yīng)用流體－柱體結(jié)構(gòu)耦合振動數(shù)值模擬方法研究帶抑振裝置單柱體的二維渦激振動響應(yīng)。分別建立尾翼為14mm、10mm的帶三角導(dǎo)流板柱體以及帶板狀導(dǎo)流板柱體的流固耦合數(shù)值模型,并根據(jù)流圃耦合系統(tǒng)求解流程對其進(jìn)行模擬。分別將模擬得到的帶抑振柱體振動幅值與受力系數(shù)的變趨勢、振動響應(yīng)時程曲線、質(zhì)心

4、運動軌跡以及不同截面柱體尾流漩渦脫落模式等結(jié)果與單圓柱體模擬結(jié)果進(jìn)行比較,分析不同抑振裝置的工作原理。
　　4、群柱體系干擾效應(yīng)數(shù)值模擬針對實際海洋工程中常見的串聯(lián)與并列兩種形式圓柱體進(jìn)行渦激振動數(shù)值模擬。分別建立柱間距比L/D=3～10串聯(lián)排列,以及柱距比G/D=5～10的并列排列兩圓柱體流固耦合數(shù)值模型,編制fsi-2c-xy.c結(jié)構(gòu)運動程序,并采用特殊宏同時控制同一時間步內(nèi)的兩柱體的運動。通過求解雷諾數(shù)范圍為6300～180

5、00時流體與柱體的耦合響應(yīng),分析不同排列形式下,柱間距比與流速對兩柱體橫向與順流向振幅、受力系數(shù)以及質(zhì)心運動軌跡的影響規(guī)律。結(jié)果表明:兩種排列方式的干擾效應(yīng)明顯不同。
　　5、立管結(jié)構(gòu)準(zhǔn)三維渦激振動數(shù)值模擬為更準(zhǔn)確的模擬立管在諸多因素(如雷諾數(shù),結(jié)構(gòu)性質(zhì),流體作用等)的影響下的復(fù)雜耦聯(lián)振動,同時為避免三維流場模擬計算量大、結(jié)果不易收斂等缺點,本文以靜力等效為基礎(chǔ),將三維結(jié)構(gòu)與二維流體相結(jié)合,建立準(zhǔn)三維渦激振動流固耦合數(shù)值模型。將兩