考虑振荡内流的细长柔性立管涡激振动数值模拟

摘要

海洋立管作为连通采油平台与海底基床的的主要构件，其重要性不言而喻。当水流以一定的流速流过立管等柱状物时，立管两侧会交替产生泄涡，泄涡使立管受到横向及流向的周期外部流体力，引发立管振动，而这种振动又会反过来影响立管泻涡，这种现象就被称为“涡激振动”。出于实际工程应用背景的考虑，许多研究者已经对无内流立管结构（空管）的“涡激振动”现象展开了广泛而深入的研究。但考虑立管内部通有流体，特别是流速随时间改变的振荡流作用下的立管涡激振动研究仍然很少。本文采用浸入边界法(immersed boundary method)，并利用已有的并行计算程序——Cgles IBM，结合隐式结构动力学程序——X-Code，成功模拟了振荡内流和均匀外流共同作用下的细长柔性立管的涡激振动。本文主要研究内容和主要结论如下：
　　1.对空管以及仅考虑恒定内流的低质量比柔性立管进行了两自由度涡激振动的数值模拟研究，发现顺流向振动始终存在拍振现象，当通入恒定内流后，其拍振变得越发强烈。
　　2.对通有纯振荡内流的低质量比柔性立管进行了两自由度涡激振动的数值模拟研究，通过对不同的振荡流工况进行比对分析，发现振荡流会在顺流向激发立管的二阶振型。随着振荡流流速幅值的增大，立管的二阶振型越发明显，且振幅明显加大。与之不同，立管的横流向涡激振动所受影响不大。
　　3.对通有恒定内流并叠加振荡内流的低质量比柔性立管进行了两自由度涡激振动数值模拟研究，通过对不同的工况进行比对分析，发现柔性立管的振动变得非常复杂，规律性不明显。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2涡激振动的研究方法

1.3国内外研究现状及问题

1.4国内外研究现状及问题

第二章 数值模拟方法

2.1浸入边界法概述

2.2浸入边界法原理

2.3浸入边界法的插值函数和分布函数

2.4结构动力求解方法

2.5流固耦合方法实现

第三章 低质量比柔性立管涡激振动数值模拟

3.1计算区域边界条件和网格划分

3.2计算参数

3.3模态分解方法

3.4 Hilbert变换及x-y振动同步性分析方法

3.5考虑双向振动的低质量比输流立管涡激振动研究工况

3.6空管及内流为恒定流下柔性立管的涡激振动

第四章 内流为纯振荡流下柔性立管的涡激振动

4.1振荡内流频率为0.335Hz的柔性立管的涡激振动

4.2振荡内流频率为0.167Hz的柔性立管的涡激振动

4.3振荡内流频率为0.084Hz的柔性立管的涡激振动

第五章 内流为振荡流叠加恒定流下柔性立管的涡激振动

5.1振荡内流频率为0.335Hz，流速均值为7.1cm/s的柔性立管涡激振动

5.2振荡内流频率为0.33Hz，流速均值为13.7cm/s的柔性立管涡激振动

5.3振荡内流频率为0.167Hz，流速均值为7.1cm/s的柔性立管涡激振动

5.4振荡内流频率为 0.167Hz，流速均值为 13.7cm/s 的柔性立管涡激振动

5.5振荡内流频率为0.084Hz，流速均值为7cm/s的柔性立管涡激振动

5.6振荡内流对立管涡激振动影响的规律总结

第六章 结论与展望

6.1本文创新点

6.2主要结论

6.3工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢