繞圓柱湍流場(chǎng)發(fā)展及立管渦激振動(dòng)的研究.pdf

1、隨著世界對(duì)石油需求量的逐年增加，石油短缺的矛盾越來(lái)越突出，為緩解該矛盾，人類逐漸從陸地鉆井發(fā)展到海上鉆井，并逐年加大了深海石油勘探、開(kāi)發(fā)的力度。作為深海油氣田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，海洋立管以其全新的形式、動(dòng)態(tài)的特性以及高技術(shù)特點(diǎn)變得格外引人注目。海流、波浪及平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不斷作用于立管之上，尤其是當(dāng)渦脫落頻率接近立管的固有頻率時(shí)，會(huì)引起立管的共振，發(fā)生所謂的“鎖定”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹆⒐艿钠趽p壞，縮短立管的使用壽命，因此在立管的

2、設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要考慮渦激振動(dòng)的影響。
　　本文的研究?jī)?nèi)容包括三大部分:一是繞圓柱湍流場(chǎng)計(jì)算尺度效應(yīng)的研究及湍流場(chǎng)發(fā)展變化的研究;二是彈性支撐剛性圓柱體渦激振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算;三是立管在真實(shí)海洋環(huán)境下的非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)研究。
　　本文通過(guò)闡述我國(guó)海洋石油開(kāi)采能力與世界先進(jìn)水平的差距以及渦激振動(dòng)對(duì)立管設(shè)計(jì)的重要性，論證了本文選題的理論意義和工程意義。分別從實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方法(EFD)、計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)和半經(jīng)驗(yàn)方法(SEM)

3、總結(jié)和歸納了渦激振動(dòng)的研究進(jìn)展，指出了當(dāng)前渦激振動(dòng)研究領(lǐng)域存在的一些亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)系統(tǒng)地闡述了渦激振動(dòng)的機(jī)理、詳細(xì)歸納了渦激振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)，并概述了求解湍流運(yùn)動(dòng)和流固耦合問(wèn)題的數(shù)值方法。
　　對(duì)雷諾數(shù)103～107范圍內(nèi)圓柱體的繞流場(chǎng)進(jìn)行了大量細(xì)致的數(shù)值計(jì)算。應(yīng)用雷諾平均納維爾——斯托克斯方程(RANS)，通過(guò)方程分祈得到了有關(guān)湍動(dòng)能和湍流耗散率這兩個(gè)表征湍流脈動(dòng)特性的相似數(shù)，用以衡量湍流計(jì)算的尺度效應(yīng)，并給出相似數(shù)隨雷諾數(shù)

4、變化的規(guī)律。結(jié)果表明，在主流方向的尾流中心線上當(dāng)Re≥3×106時(shí)，湍動(dòng)能和湍流耗散率隨著雷諾數(shù)的變化趨于平穩(wěn)。而后研究了四種計(jì)算尺度下的湍流場(chǎng)及其發(fā)展變化（包括流向平均速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)、湍流動(dòng)能和湍流耗散率），并比較了不同計(jì)算尺度下圓柱湍流場(chǎng)的特征。最后，對(duì)Re≥3×106這一雷諾數(shù)范圍的湍流場(chǎng)特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究，給出湍流脈動(dòng)量在下游的發(fā)展變化規(guī)律。
　　采用雷諾平均納維爾——斯托克斯方程(RANS)，結(jié)合RNG k-ε和SST

5、 k-ω這兩種不同的湍流模型，研究了低質(zhì)量比彈性支撐剛性圓柱體的自激振動(dòng)問(wèn)題。從頻率響應(yīng)、振幅響應(yīng)、對(duì)升力的譜分析、三個(gè)響應(yīng)分支的水動(dòng)力性能、尾渦模式和計(jì)算效率等方面比較了兩種湍流模型的模擬效果，結(jié)果表明SST k-ω湍流模型在整體上優(yōu)于RNG k-ε湍流模型。并對(duì)振動(dòng)圓柱體的三個(gè)響應(yīng)分支（初始分支、上端分支和下端分支）的湍流場(chǎng)（包括壁面壓力系數(shù)、壁面切應(yīng)力系數(shù)、流向平均速度、流向速度脈動(dòng)值、橫向速度脈動(dòng)值和雷諾應(yīng)力的分布）及其發(fā)展變化

6、進(jìn)行了研究，與同等雷諾數(shù)下固定圓柱體的湍流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。
　　建立了真實(shí)海洋環(huán)境下立管三維非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)控制方程。采用Morison方程求解順流力;Facchinetti改進(jìn)的尾流振子模型求解橫向升力，考慮了附加質(zhì)量系數(shù)的變化;軸向力的計(jì)算考慮平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)。在計(jì)算分析中考慮的非線性主要包括大變形引起的幾何非線性、流體動(dòng)力非線性和流固耦合非線性。在邊界條件的處理上，綜合考慮了波浪、海流、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)（升沉和縱蕩運(yùn)動(dòng)）的影響，并且上