柔性立管渦激振動試驗與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著能源需求的不斷增長，海洋石油工業(yè)越來越向著深海進(jìn)軍，平臺形式也由固定式平臺發(fā)展為浮式平臺。立管系統(tǒng)是浮式海洋平臺的關(guān)鍵單元。海流經(jīng)過立管產(chǎn)生的瀉渦誘發(fā)交變的流體力，在一定條件下將引發(fā)柔性立管的大振幅運動（甚至共振），這是導(dǎo)致立管疲勞損傷的主要原因?？紤]到在對抗渦激振動影響中的巨額投入，如果能對柔性立管渦激振動作出準(zhǔn)確的預(yù)測并采取適當(dāng)?shù)拇胧瑢⒋蟠蠼档推湓靸r。
　　本文依托國家自然科學(xué)基金重點項目“大型結(jié)構(gòu)與特殊環(huán)境動力相互作用

2、的數(shù)值試驗”（No.50538050），旨在嘗試借助計算流體動力學(xué)（CFD）建立柔性立管渦激振動的“直接的”時域預(yù)報模型。為了給數(shù)值模型的建立提供參考，同時進(jìn)行了相應(yīng)的試驗研究?？紤]到上部平臺在風(fēng)、浪等作用下的響應(yīng)對于立管系統(tǒng)而言是一個運動邊界（端部激勵）的問題，在文中也就端部激勵對柔性立管渦激振動的影響進(jìn)行了研究。具體研究內(nèi)容歸納如下：
　　1.設(shè)計了一套可以施加端部激勵的試驗裝置，設(shè)置了以下4類試驗工況：（a）分別在靜水和空氣

3、中做了衰減試驗，測量了立管模型在相應(yīng)流體介質(zhì)中的自振頻率和模態(tài)阻尼比；（b）端部固定不動時，通過改變均勻來流速度，考察了柔性立管渦激振動的頻率鎖定，觀察到振幅隨折合速度的變化呈現(xiàn)連續(xù)的“三支”響應(yīng)；（c）分別在靜水和空氣兩種介質(zhì)中，在一個端部施加簡諧運動激勵，其中簡諧運動的振幅和頻率有多組變化，以考察各種振幅-頻率組合下的響應(yīng)；（d）在均勻來流中施加端部激勵以模擬上部平臺在風(fēng)、浪作用下的運動，聯(lián)合了（b）和（c）中所有可能的工況，并以（

4、b）和（c）的試驗結(jié)果為參考，分析了端部對柔性結(jié)構(gòu)渦激振動的影響。
　　2.成功的將重疊網(wǎng)格應(yīng)用于運動邊界的處理，并結(jié)合有限體積法（FVM）和任意拉格朗日歐拉法（ALE）實現(xiàn)了流場、結(jié)構(gòu)場和網(wǎng)格場三場的耦合，從而建立了高效率、少限制的二維圓柱渦激振動的數(shù)值計算模型。用C++和MATLAB混合編程實現(xiàn)了相應(yīng)的計算程序 VIV2D。該模型的最大優(yōu)點是幾乎不受運動方向和位移大小的限制，也不需要因為邊界的運動而重新劃分網(wǎng)格，只需給運動邊界

5、尋找貢獻(xiàn)單元即可，因而非常容易實現(xiàn)流向和橫向兩個自由度的渦激振動模擬，從而考察流向振動對橫向渦激振動的影響；也非常容易實現(xiàn)強(qiáng)迫振動的模擬，從而考察均勻來流中強(qiáng)迫振動和自激振動的區(qū)別和聯(lián)系。通過對二維圓柱渦激振動的計算，對渦激振動無量綱振幅進(jìn)行了影響參數(shù)（質(zhì)量-阻尼聯(lián)合因子、折合速度、雷諾數(shù)）分析。
　　3.基于“切片”理論和先前建立的二維圓柱渦激振動計算模型，結(jié)合柔性結(jié)構(gòu)動力有限元（FEM）分析，實現(xiàn)了柔性立管渦激振動的“準(zhǔn)三維”

6、模擬，即在每一個結(jié)構(gòu)單元中點處布置一個二維流場，在當(dāng)前時間步上求解各單元所受的流體作用力，然后集成總的荷載向量，用以求解下一個時間步上的結(jié)構(gòu)總體響應(yīng)，根據(jù)總響應(yīng)改變各二維流場中的固體邊界條件。最后編制了分析程序RISER。主要考慮兩種工況：（a）均勻來流中立管渦激振動模擬，根據(jù)與試驗結(jié)果的比較，驗證了這種柔性立管渦激振動計算模型的正確性；（b）在上一種工況下增加端部激勵，同樣與相應(yīng)的試驗結(jié)果進(jìn)行了比較分析。
　　本文的研究工作涉及