海洋立管涡激振动机理与预报方法研究

摘要

由于国际上海洋石油工业向深水推进，以立管为代表的海洋结构物的涡激振动问题重新受到人们的关注。圆柱状海洋立管会在洋流的作用下产生泻涡，在一定条件下，泻涡诱发的交变流体力会引发结构的大振幅响应，从而降低海洋立管的疲劳寿命。如果能够对不均匀海洋环境中海洋结构物的涡激振动响应特性做出准确的预报，将能够大大降低其造价。 本文作为国家自然科学基金专项基金项目“深海平台的动力特性研究”(项目编号：50323004)的组成部分，旨在深入理解圆柱状海洋立管的涡激振动机理，并据此建立更加合理的涡激振动预报模型。 本文跟踪了国外的有关圆柱体及海洋立管涡激振动问题的最新研究动向，对一系列热点问题开展了深入的研究。内容涉及均匀水流当中圆柱体的横向振荡及泻涡的数值模拟、圆柱体白激振荡与受迫振荡关系的研究与讨论、低质量比圆柱体涡激振动预报模型的建立，以及细长柔性海洋立管在分布流作用下的涡激振动预报。论文深入分析了一系列与圆柱体及海洋立管涡激振动有关的重要物理参数，利用数值模拟工具以及理论模型，合理地再现与分析了众多与圆柱体涡激振动相关的物理现象。论文的主要内容可以归纳为以下几个方面： 1、系统归纳与评述了以往圆柱体以及海洋立管涡激振动的机理研究。深入阐释了与圆柱体涡激振荡相关的关键物理参数及若干物理概念。全面总结了现有的各种立管涡激振动预报模型。 2、详细比较了两类圆柱体涡激振动的机理实验，即自激振荡实验与受迫振荡实验各自的特点与两者的联系。从对实验现象与数值模拟结果的比较分析入手，在各个方面剖析了两类机理实验研究的异同，包括流体力幅值与相位信息、圆柱体运动响应方式及随机特性、圆柱体与流体之间的能量平衡与转移、尾流漩涡形式等。 3、利用RANS方法结合一定的网格策略模拟了水流当中圆柱体横向自激与受迫振荡。数值模拟成功地再现了一系列物理现象，如双频差拍振动、锁定以及锁定的解除、迟滞现象等。采用SSTκ-ω湍流模型模拟得到2P模式的尾流漩涡与最新的实验结果吻合得相当好。 4、本文建立了弹性支撑圆柱体在均匀来流作用下的涡激振动预报模型。从能量的角度，该模型成功地沟通了两类涡激振动机理实验——圆柱体的自激振荡与受迫振荡实验。该模型的流体力系数来源于圆柱体的受迫振荡实验，却可以利用这一模型预报弹性支撑低质量比圆柱体的自激振荡特性。利用本文的模型，合理地解释一系列关于圆柱体涡激振动机理研究的热点问题，如最大响应振幅的决定因素、锁定频率与锁定区间、迟滞现象等。这些现象的正确理解与预报是理解低质量比柔性海洋立管的涡激振动响应特性的基础。 5、将低质量比圆柱体涡激振动预报模型进行扩展，并吸取国外研究的成功经验，建立了适于预报与分析变参数细长柔性海洋立管的涡激振动预报模型。该模型首次将变参数细长柔性梁的有限元模态计算与涡激振动分析结合在一起。为了验证模型的有效性，选取了近期立管涡激振动实验结果进行了校核。结果显示，本文模型合理地反映出附加质量效应对低质量比细长柔性立管模态振型与模态频率的影响。 论文创新性贡献体现在以上所述2～5所述的内容当中。通过本文的研究工作可以得出如下有价值的结论： 1、对低质量一阻尼因子圆柱体的涡激振动响应出现的上端分支，首次给出了合理解释，而这一解释来源于对数值模拟结果与实验现象的比较与分析。实验当中出现的上端分支与下端分支的切换，原因如下：系统位于上端分支时，流体力相位发生骤变，同时轴向相关降低，因此流体力的随机特性明显；而随机特性又随着质量一阻尼因子的降低得到了进一步的放大；在此区间如果用最大响应幅值来反映振幅响应，则会表现为上端分支。在数值模拟当中，RANS方法消除了流体的随机扰动，因此响应幅值在锁定区间变化平稳。进一步的圆柱体自激振荡实验研究应该更合理地反映随机扰动的影响。而平均响应振幅能够反映系统总体的能量平衡状态，较之最大响应幅值更有参考意义。上述结论对未来的实验研究与数值模拟有着重要的参考价值。 2、首次利用RANS方法，沟通了圆柱体自激振荡与受迫振荡尾流漩涡模式。指出无论是受迫振荡还是自激振荡，圆柱体的尾流漩涡模式在相同的平均振幅的情况下，主要取决于与实际振荡频率有关的折合频率，此外，还与圆柱体运动响应的历史状态有关。而由于存在随机扰动的影响，这方面的实验研究存在着相当的困难。 3、通过对数值模拟结果的分析与理论模型的验证工作，本文发现需要重新理解若干有关涡激振动的物理现象及物理概念。首先，弹性支撑圆柱体的“锁定”，并不意味着其振荡频率锁定到结构固有频率上，正确的理解是泻涡频率“锁定”到圆柱体的实际振荡频率上，而在锁定区间，这一振荡频率实际上是变化量。其次，如果按照实际振荡频率规定的折合速度来界定，那么具有不同质量比的低质量一阻尼因子系统将具有相同的锁定区间。但如果按照常规的做法，使用结构在真空或是在水中的固有频率规定折合速度，那么锁定区间上限会随着质量比的降低而增加。再次，随着质量比的降低到O(1)的量级上，最大响应幅值不再是S<,G>参数的单调函数。上述发现与结论来源于对低质量比条件下附加值量效应的正确理解及量化，它们颠覆了人们对涡激振动现象的传统理解。一般认为，“锁定”区间对应的折合速度范围为5到8之间，在此区间，圆柱体的振荡频率“锁定”在其结构固有频率；而关于最大响应幅值是否仅仅决定于S<,G>参数的讨论，国际上还没有定论。 　　4、圆柱体的实际振荡频率以及细长柔性立管的模态频率，是理解低质量比涡激振动系统响应特性的关键。响应频率与固有频率的差异来源于附加质量效应。而附加质量决定于系统的响应与来流速度分布。因此，系统的响应频率与响应振幅是高度耦合的；在预报柔性立管的涡激振动响应时，模态分析过程应该与涡激振动响应预报结合在一起。将模态分析结果作为涡激振动预报的输入信息，甚至简单地认为附加质量系数为1，这对于低质量比海洋立管的涡激振动分析而言是欠妥当的。 　　总之，从数值模拟方法的成功应用到机理实验现象的全新解释，从简单2维圆柱体的涡激振动机理到变参数3维海洋立管在一定分布流作用下的涡激振动响应预报，本文的工作涉及到圆柱体以及海洋立管涡激振动研究的诸多方面。本文对许多重要的概念与现象给出了独到的解释与分析。本文给出的理论模型与经验为进一步的研究提供了有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章圆柱体涡激振动的基本参数和研究方法

第三章数值方法概述

第四章均匀流中振荡圆柱体的数值模拟

第五章低质量比圆柱体涡激振动预报模型

第六章细长柔性立管的涡激振动预报

第七章全文总结与研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

上海交通大学学位论文答辩决议书