深水隔水管涡激振动控制装置的数值模拟

摘要

当今世界能源形势日趋严峻，深海油气资源的开采受到了业内的极大关注。 隔水管是深海钻井设备立管系统的必要保护装置。由于海洋的复杂环境条件，隔水管的涡激振动（VIV）一直是影响其正常运行和安全的突出问题。国内外关于隔水管涡激振动已进行了较多的理论和试验研究，但是对隔水管涡激振动的控制方法及装置的研究尚待深入，而高效实用的涡激振动控制装置则很少，尤其在国内几乎还是空白。因此，探索隔水管涡激振动控制方法及其装置具有重要的理论与实际应用价值。 在已有研究成果的基础上，本文利用数值模拟方法，探讨通过安装附加装置来控制隔水管的涡激振动。针对各类不同结构的VIV 控制装置对隔水管涡激振动的改变效果进行了分析，得到了VIV 控制装置的结构最优几何尺寸。 主要工作如下: 1. 建立了数值模拟隔水管涡激振动问题的数学与力学模拟模型。 2. 阐述了隔水管涡激振动的机理，分析影响隔水管涡激振动的因素。 3. 对不安装VIV 控制装置的隔水管水动力学特性进行了模拟，分析其流场各参数的分布和受力情况，重点讨论了涡激振动的频域特征。计算结果与经典实验结果吻合很好，为评定各类VIV 控制装置的效果奠定了基础。 4. 对安装了不同结构的VIV 控制装置隔水管（即附加分离盘和整流罩）的流场进行了数值模拟，分析其对隔水管的流场、受力和旋涡脱落频率的影响。 5. 比较各类不同结构的VIV 控制装置对隔水管涡激振动的改变效果，重点对比其对隔水管受力和旋涡脱落频率的改变情况，首次得到了隔水管VIV 控制装置——附加分离盘和整流罩的最优结构尺寸。