海底管線管跨結構渦致耦合振動的數(shù)值模擬與實驗研究.pdf

1、海底管線是海洋油氣集輸與儲運系統(tǒng)的重要組成部分，被喻為海上油氣田的“生命線”，在海洋油氣資源的開發(fā)利用中發(fā)揮著重大作用，海底管線的安全正常運行是海上油氣田安全生產(chǎn)的重要保證。海底管線管跨結構由于具有特殊的結構形式，在海流作用下會發(fā)生復雜的渦致振動以及頻率“鎖定”現(xiàn)象，并誘發(fā)流體與結構之間的相互作用，由此導致的結構失穩(wěn)以及疲勞破壞是海底管線損傷的重要形式。 針對海底管線管跨結構的渦致耦合振動問題，考慮到二維流場數(shù)值模擬的局限性以及

2、管跨結構的動態(tài)響應具有軸向分布的特點，本文基于二維的標準κ-ε湍流模式，以及考慮管內(nèi)流體流動影響的管跨結構運動控制方程，構建了由水動力模塊和結構動力模塊兩部分構成的準三維數(shù)值模型，用于描述海底管線管跨結構的渦致振動以及渦致振動過程中流體與結構之間的相互作用。該模型的本質(zhì)是用二維模型求解三維問題，其基本思想很大程度上體現(xiàn)在它的數(shù)值求解過程中。為了解決流固耦合數(shù)值研究中兩相介質(zhì)界面上力與運動關系的傳遞與協(xié)調(diào)問題，本文在總結前人研究工作的基礎

3、上，提出了一種新的動態(tài)塊結構數(shù)值網(wǎng)格生成技術，該技術將包含壁面運動邊界的網(wǎng)格塊的運動與塊內(nèi)網(wǎng)格的變形結合起來，共同承擔因壁面邊界運動引起的域內(nèi)網(wǎng)格的變形，因此能夠滿足結構大幅運動的需要，而不引起網(wǎng)格的畸變。 本文發(fā)展的準三維數(shù)值模型與新的動態(tài)塊結構數(shù)值網(wǎng)格技術相結合，被成功應用于海底管線管跨結構渦致耦合振動問題的研究。通過數(shù)值算例，深入研究了渦致耦合振動過程中管跨結構的動態(tài)響應和動力特性以及繞流流場的水動力特性，詳細分析了渦致耦

4、合振動的各種影響因素，探討了頻率“鎖定”以及流固耦合等非線性動力特性和行為，并得出了相關的結論。為了深化對該渦致耦合動力問題的物理過程和機制的認識，并驗證結構表面流體作用力的數(shù)值計算結果以及海底管線管跨結構渦致耦合振動的數(shù)值模擬結果，在海軍工程設計研究局港工實驗室分別開展了“近底繞流圓柱體表面動水壓力分布”以及“海底管線管跨結構渦致耦合振動動態(tài)響應”的實驗研究，通過物理模型實驗結果與數(shù)值模擬結果的分析和對比，實現(xiàn)對數(shù)值模型的有效性和適用