繞圓柱湍流場發(fā)展及立管渦激振動的研究.pdf

1、隨著世界對石油需求量的逐年增加，石油短缺的矛盾越來越突出，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、開發(fā)的力度。作為深海油氣田開發(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、動態(tài)的特性以及高技術(shù)特點變得格外引人注目。海流、波浪及平臺的運動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，會引起立管的共振，發(fā)生所謂的“鎖定”現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?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)計過程中首先要考慮渦激振動的影響。
　　本文的研究內(nèi)容包括三大部分:一是繞圓柱湍流場計算尺度效應(yīng)的研究及湍流場發(fā)展變化的研究;二是彈性支撐剛性圓柱體渦激振動的數(shù)值計算;三是立管在真實海洋環(huán)境下的非線性渦激動力響應(yīng)研究。
　　本文通過闡述我國海洋石油開采能力與世界先進水平的差距以及渦激振動對立管設(shè)計的重要性，論證了本文選題的理論意義和工程意義。分別從實驗流體力學(xué)方法(EFD)、計算流體力學(xué)方法(CFD)和半經(jīng)驗方法(SEM)

3、總結(jié)和歸納了渦激振動的研究進展，指出了當(dāng)前渦激振動研究領(lǐng)域存在的一些亟待解決的問題。同時系統(tǒng)地闡述了渦激振動的機理、詳細歸納了渦激振動的相關(guān)參數(shù)，并概述了求解湍流運動和流固耦合問題的數(shù)值方法。
　　對雷諾數(shù)103～107范圍內(nèi)圓柱體的繞流場進行了大量細致的數(shù)值計算。應(yīng)用雷諾平均納維爾——斯托克斯方程(RANS)，通過方程分祈得到了有關(guān)湍動能和湍流耗散率這兩個表征湍流脈動特性的相似數(shù)，用以衡量湍流計算的尺度效應(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，湍動能和湍流耗散率隨著雷諾數(shù)的變化趨于平穩(wěn)。而后研究了四種計算尺度下的湍流場及其發(fā)展變化（包括流向平均速度場、渦量場、湍流動能和湍流耗散率），并比較了不同計算尺度下圓柱湍流場的特征。最后，對Re≥3×106這一雷諾數(shù)范圍的湍流場特征進行了詳細的研究，給出湍流脈動量在下游的發(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問題。從頻率響應(yīng)、振幅響應(yīng)、對升力的譜分析、三個響應(yīng)分支的水動力性能、尾渦模式和計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。并對振動圓柱體的三個響應(yīng)分支（初始分支、上端分支和下端分支）的湍流場（包括壁面壓力系數(shù)、壁面切應(yīng)力系數(shù)、流向平均速度、流向速度脈動值、橫向速度脈動值和雷諾應(yīng)力的分布）及其發(fā)展變化

6、進行了研究，與同等雷諾數(shù)下固定圓柱體的湍流場進行了對比。
　　建立了真實海洋環(huán)境下立管三維非線性渦激動力響應(yīng)控制方程。采用Morison方程求解順流力;Facchinetti改進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;軸向力的計算考慮平臺的升沉運動。在計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、平臺運動（升沉和縱蕩運動）的影響，并且上