瞬時渦量守恒離散渦方法研究及在海洋立管渦激振動中的應用.pdf

1、隨著陸地油氣資源的緊缺，油氣開發(fā)逐步進入深海。立管成為海洋油氣開發(fā)的關鍵設備之一，連接海面浮式平臺和海底井口，起到鉆探、開采、運輸油氣的作用。海流作用在立管上，會誘發(fā)立管做渦激振動，導致立管疲勞損傷，引發(fā)不安全事故。因此，立管渦激振動現象受到科學界和工程界廣泛關注。
　　本博士論文在粘性流體理論的框架內，提出了瞬時渦量守恒的渦方法，并應用該方法探索了雙圓柱繞流以及三維立管渦激振動。針對渦元穿透圓柱邊界進入其內部的問題，提出瞬時渦量

2、守恒的處理方案;結合雙圓柱結構特點，提出針對雙圓柱繞流的瞬時渦量守恒的處理方案，并以此建立了雙圓柱繞流的數值計算模型;利用間隙流偏轉方向與雙圓柱間隙中間點誘導速度的方向同步的特性，提出識別寬尾流和窄尾流的新方法;結合有限體積方法，引入動剛度矩陣，建立了單立管和雙立管靜態(tài)平衡和動態(tài)響應的數值計算方法。文中涉及的所有數值方法，都是通過Fortran編寫代碼來實現，采用Tecplot平臺進行后處理。
　　首先，針對離散渦方法中部分渦元穿

3、透數值邊界層進入柱體內部的問題，本文提出了瞬時渦量守恒的處理方案。為了保證圓柱內部的渦量為零，在柱體內部渦元的位置處引入新的渦元，其環(huán)量大小相等，方向相反。同時為了保證數值圓周的流線性，根據圓周定理，在柱體內部渦元的鏡像位置再引入另一渦元。研究表明:該處理方案不僅保證了數值圓周的流線性和柱體內部渦量為零的要求，而且保證了瞬時渦量守恒和總的渦量守恒，使得離散渦方法的計算精度得到極大的提高，同時也拓展了離散渦方法的計算范圍。引入瞬時渦量守恒

4、的離散渦方法被稱為滿足邊界條件的瞬時渦量守恒法(InstantaneousVorticity Conserved Boundary Conditions)，即IVCBC渦方法。
　　其次，針對雙圓周對點渦的影響，結合保角變換，提出處理點渦進入圓周內的處理方法。研究表明:速度場的計算公式中圓柱外點渦的個數對雙圓周表面壓力的影響非常少。因此，為減少計算量，針對較高雷諾數(1×104～1×105)下雙圓柱繞流的特點，采用IVCBC渦方法

5、建立了并聯和串聯雙圓柱繞流的數值計算模型。分別探索了雷諾數為Re=6.0×104和Re=2.2×104的雙圓柱繞流特征。根據并聯雙圓柱間隙中點誘導速度的方向與間隙流偏轉方向同步的特性，提出一種新的區(qū)別寬尾流(Wide Wake)和窄尾流(NarrowWake)的數值方法。研究表明:本文提出的方法，能準確地識別兩圓柱之后的寬尾流和窄尾流;在間隙比為1.1≤T/D≤2.6范圍內，一種介于寬尾流和窄尾流的頻率之間的中間頻率;在并聯雙圓柱繞流中

6、，存在五種尾流模式，其中在間隙比為2.6＜T/D≤7范圍內，獲得穩(wěn)定且持續(xù)時間較長的對稱尾流模式，其中同步反相的尾流模式在多種尾流模式中占主導優(yōu)勢。在串聯雙圓柱繞流中，兩圓柱的間距比在1.1＜L/D＜1.4時，上游圓柱的剪切層分離后與下游圓柱的剪切層對接，將下游圓柱包裹;在間距比為L/D=1.2時，可清晰地看見兩圓柱之間的上部和底部有清晰的小渦存在;在間隙比為1.4＜L/D＜3.25時，上游圓柱的剪切層分離后與下游圓柱的剪切層逐漸斷裂，

7、在兩圓柱之間形成回流區(qū)域，但沒有形成完整的渦對;在間距比L/D=3.25時，所有的流體力都產生突變，該間距比稱為臨界比;在間隙比L/D＞3.25時，在兩圓柱之間存在完整的渦對。
　　最后，針對立管長細比較大的特點，引入有限體積法和動剛度矩陣，利用切片原理建立立管的數值結構模型。結合IVCBC渦方法建立單立管和雙立管渦激振動的三維數值計算模型。研究表明:該數值模型具有較高的可靠性和有效性;對于雷諾數較高的立管渦激振動，其泄渦頻率都明