顶张力立管流固耦合的涡激振动数值模拟

摘要

深海立管是深海开发工程装备的重要组成部分，深海立管在复杂的海洋环境作用下发生涡激振动，诱发立管结构疲劳破坏。目前对深海立管的涡激振动响应和疲劳的研究是海洋工程领域的前沿课题。
　　 本文利用CFD方法，研究较高雷诺数下圆柱绕流、大振幅比圆柱横向受迫振动特性、圆柱单向自由度与两向自由度方向涡激振动，进行顶张力立管流固耦合振动的数值模拟。利用FLUENT软件求解Navier-Stokes方程，对圆柱绕流分别进行二维与三维的数值模拟；利用FLUENT的动网格技术分析大振幅比圆柱横向受迫振动；联立流体水动力学方程与立管运动方程，考虑单向自由度及两向自由度，研究流固耦合的涡激振动。利用切片理论，将深海立管三维涡激振动问题简化为二维问题，通过FLUENT软件与结构有限元软件ABAQUS结合，通过迭代计算，计算深海立管在均匀流速及剪切流作用下的流固耦合的动力响应。
　　 通过本文的研究工作，得到了二维与三维固定圆柱绕流的水动力学系数、漩涡发放频率等结果；得到高雷诺数下大振幅比圆柱受迫振动的“锁定”区间；单自由度和两自由度涡激振动流固耦合的数值模拟结果表明，阻尼增大会减小涡激振动的程度，在低质量比、小阻尼情况下纵向自由度振动会加剧横向自由度涡激振动的程度。计算结果表明用切片理论求解项张力立管涡激振动的方法是可行的。