海洋立管渦致耦合振動CFD數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文基于計算流體力學(CFD)與計算結構動力學(CSD)方法,對圓柱體的渦激振動響應進行數(shù)值模擬,研究不同工況下柱體受力系數(shù)、振動幅值以及尾流漩渦脫落模式等變化規(guī)律,探索海洋立管的渦激振動機理;并進一步研究帶抑振裝置圓柱體的渦激振動及抑振效果;在此基礎上,對多個圓柱體渦激振動的干涉問題進行了數(shù)值模擬研究;最后對深水立管結構進行準三維渦激振動數(shù)值模擬。具體內(nèi)容如下:
　　1、流體－圓柱體結構耦合振動數(shù)值模擬方法研究在總結分析國內(nèi)外對

2、CFD流固耦合研究現(xiàn)狀的基礎上,本文考慮了渦激振動參數(shù)并結合CFD方法,建立流固耦合系統(tǒng)的渦致振動無量綱數(shù)值模型。選擇SSTk-ω)模型模擬流場變化,同時采用Newmark-β法控制柱體邊界的運動。最后給出流固耦合求解的具體實現(xiàn)方法,確定流固耦合數(shù)值模擬的求解流程,并編制相應的計算程序。
　　2、單囂柱體渦激耦合振動數(shù)值模擬首先,以單圓柱體為基礎建立了單柱體渦激振動CFD數(shù)值模型,并編制fsi-xy.c結構運動程序。通過得到的受力

3、系數(shù)與振幅變化規(guī)律,分析圓柱體在流體作用下的運動規(guī)律。給出尾流渦結構,揭示柱體振動與漩渦脫落模式間的關系。
　　3、帶抑振裝置柱體渦激耦合振動數(shù)值模擬應用流體－柱體結構耦合振動數(shù)值模擬方法研究帶抑振裝置單柱體的二維渦激振動響應。分別建立尾翼為14mm、10mm的帶三角導流板柱體以及帶板狀導流板柱體的流固耦合數(shù)值模型,并根據(jù)流圃耦合系統(tǒng)求解流程對其進行模擬。分別將模擬得到的帶抑振柱體振動幅值與受力系數(shù)的變趨勢、振動響應時程曲線、質(zhì)心

4、運動軌跡以及不同截面柱體尾流漩渦脫落模式等結果與單圓柱體模擬結果進行比較,分析不同抑振裝置的工作原理。
　　4、群柱體系干擾效應數(shù)值模擬針對實際海洋工程中常見的串聯(lián)與并列兩種形式圓柱體進行渦激振動數(shù)值模擬。分別建立柱間距比L/D=3～10串聯(lián)排列,以及柱距比G/D=5～10的并列排列兩圓柱體流固耦合數(shù)值模型,編制fsi-2c-xy.c結構運動程序,并采用特殊宏同時控制同一時間步內(nèi)的兩柱體的運動。通過求解雷諾數(shù)范圍為6300～180

5、00時流體與柱體的耦合響應,分析不同排列形式下,柱間距比與流速對兩柱體橫向與順流向振幅、受力系數(shù)以及質(zhì)心運動軌跡的影響規(guī)律。結果表明:兩種排列方式的干擾效應明顯不同。
　　5、立管結構準三維渦激振動數(shù)值模擬為更準確的模擬立管在諸多因素(如雷諾數(shù),結構性質(zhì),流體作用等)的影響下的復雜耦聯(lián)振動,同時為避免三維流場模擬計算量大、結果不易收斂等缺點,本文以靜力等效為基礎,將三維結構與二維流體相結合,建立準三維渦激振動流固耦合數(shù)值模型。將兩