柔性立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，海洋石油工業(yè)越來越向著深海進(jìn)軍，平臺(tái)形式也由固定式平臺(tái)發(fā)展為浮式平臺(tái)。立管系統(tǒng)是浮式海洋平臺(tái)的關(guān)鍵單元。海流經(jīng)過立管產(chǎn)生的瀉渦誘發(fā)交變的流體力，在一定條件下將引發(fā)柔性立管的大振幅運(yùn)動(dòng)（甚至共振），這是導(dǎo)致立管疲勞損傷的主要原因?？紤]到在對(duì)抗渦激振動(dòng)影響中的巨額投入，如果能對(duì)柔性立管渦激振動(dòng)作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，將大大降低其造價(jià)。
　　本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“大型結(jié)構(gòu)與特殊環(huán)境動(dòng)力相互作用

2、的數(shù)值試驗(yàn)”（No.50538050），旨在嘗試借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）建立柔性立管渦激振動(dòng)的“直接的”時(shí)域預(yù)報(bào)模型。為了給數(shù)值模型的建立提供參考，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究?？紤]到上部平臺(tái)在風(fēng)、浪等作用下的響應(yīng)對(duì)于立管系統(tǒng)而言是一個(gè)運(yùn)動(dòng)邊界（端部激勵(lì)）的問題，在文中也就端部激勵(lì)對(duì)柔性立管渦激振動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。具體研究?jī)?nèi)容歸納如下：
　　1.設(shè)計(jì)了一套可以施加端部激勵(lì)的試驗(yàn)裝置，設(shè)置了以下4類試驗(yàn)工況：（a）分別在靜水和空氣

3、中做了衰減試驗(yàn)，測(cè)量了立管模型在相應(yīng)流體介質(zhì)中的自振頻率和模態(tài)阻尼比；（b）端部固定不動(dòng)時(shí)，通過改變均勻來流速度，考察了柔性立管渦激振動(dòng)的頻率鎖定，觀察到振幅隨折合速度的變化呈現(xiàn)連續(xù)的“三支”響應(yīng)；（c）分別在靜水和空氣兩種介質(zhì)中，在一個(gè)端部施加簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，其中簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅和頻率有多組變化，以考察各種振幅-頻率組合下的響應(yīng)；（d）在均勻來流中施加端部激勵(lì)以模擬上部平臺(tái)在風(fēng)、浪作用下的運(yùn)動(dòng)，聯(lián)合了（b）和（c）中所有可能的工況，并以（

4、b）和（c）的試驗(yàn)結(jié)果為參考，分析了端部對(duì)柔性結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)的影響。
　　2.成功的將重疊網(wǎng)格應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)邊界的處理，并結(jié)合有限體積法（FVM）和任意拉格朗日歐拉法（ALE）實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)和網(wǎng)格場(chǎng)三場(chǎng)的耦合，從而建立了高效率、少限制的二維圓柱渦激振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型。用C++和MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的計(jì)算程序 VIV2D。該模型的最大優(yōu)點(diǎn)是幾乎不受運(yùn)動(dòng)方向和位移大小的限制，也不需要因?yàn)檫吔绲倪\(yùn)動(dòng)而重新劃分網(wǎng)格，只需給運(yùn)動(dòng)邊界

5、尋找貢獻(xiàn)單元即可，因而非常容易實(shí)現(xiàn)流向和橫向兩個(gè)自由度的渦激振動(dòng)模擬，從而考察流向振動(dòng)對(duì)橫向渦激振動(dòng)的影響；也非常容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫振動(dòng)的模擬，從而考察均勻來流中強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的區(qū)別和聯(lián)系。通過對(duì)二維圓柱渦激振動(dòng)的計(jì)算，對(duì)渦激振動(dòng)無量綱振幅進(jìn)行了影響參數(shù)（質(zhì)量-阻尼聯(lián)合因子、折合速度、雷諾數(shù)）分析。
　　3.基于“切片”理論和先前建立的二維圓柱渦激振動(dòng)計(jì)算模型，結(jié)合柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元（FEM）分析，實(shí)現(xiàn)了柔性立管渦激振動(dòng)的“準(zhǔn)三維”

6、模擬，即在每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中點(diǎn)處布置一個(gè)二維流場(chǎng)，在當(dāng)前時(shí)間步上求解各單元所受的流體作用力，然后集成總的荷載向量，用以求解下一個(gè)時(shí)間步上的結(jié)構(gòu)總體響應(yīng)，根據(jù)總響應(yīng)改變各二維流場(chǎng)中的固體邊界條件。最后編制了分析程序RISER。主要考慮兩種工況：（a）均勻來流中立管渦激振動(dòng)模擬，根據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了這種柔性立管渦激振動(dòng)計(jì)算模型的正確性；（b）在上一種工況下增加端部激勵(lì)，同樣與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。
　　本文的研究工作涉及