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多根控制杆对细长柔性立管涡激振动抑制作用的实验及数值研究

作　者: 吴浩
导　师: 孙大鹏
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 柔性立管涡激振动多根控制杆抑制措施实验研究数值模拟
分类号: P756.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

涡激振动是导致深海立管发生结构失稳以及疲劳破坏的重要原因之一,实际工程中为减小或者消除涡激振动的影响,增加深海立管的安全使用寿命,往往需要使用涡激振动抑制措施。我国涡激振动抑制措施的研究工作与国外相比还存在很大差距,尤其是针对大长细比柔性立管方面的研究仍非常有限。深海油气开发工程的快速发展,迫切需要开展细长柔性立管涡激振动抑制措施的创新性研究工作。本文依托国家863计划项目,提出了一种新型的多根控制杆涡激振动抑制措施,通过水池大尺度实验和数值模拟相结合的方法,以细长柔性立管作为主要研究对象,对多根控制杆抑制措施的抑制效果、抑制性能的影响因素和抑制机理进行了比较系统的研究,并就多根圆柱体涡激振动问题进行了一些基础理论研究探索。文中首先简要介绍了涡激振动的基本理论,主要包括圆柱体涡激振动基本概念,研究中涉及的主要无量纲参数,以及涡激振动的研究方法。第三章开展了水池大尺度实验,利用拖曳方法产生均匀流,综合考虑来流方向、间距和覆盖率对抑制性能和张力的影响,比较系统地研究了多根控制杆抑制措施对大长细比柔性立管涡激振动的抑制效果。实验结果表明多根控制杆对立管涡激振动响应有非常显著的抑制作用,能够同时消减立管CF和IL两个方向最高达90%的位移响应,使疲劳破坏减小2个数量级以上,并且由多根控制杆造成的张力增加不明显。抑制性能对来流方向具有较强的适应性,间距越小、覆盖率越高则抑制效果越好,文中给出了建议优化的间距和覆盖率。第四章利用二维数值模拟方法研究了多根圆柱体横向受迫振动问题。首先通过计算单根圆柱体固定绕流和横向受迫振动对数值模型进行了验证,然后利用该模型对多根圆柱体固定绕流和横向受迫振动进行了数值模拟。发现当结构振动频率接近于固定不动时的涡脱落频率时,流体-结构能量传递关系、结构位移和升力的相位关系以及涡脱落模式会都会发生显著的改变,从而造成了升力振幅和振荡模态的突变。通过分析单圆柱和不同来流角下多圆柱的涡脱落模式和流体压力分布,揭示了多根控制杆抑制措施对立管涡激振动的抑制机理。第五章基于切片法建立了准三维流固耦合数值模型,通过引入并行计算技术,显著提高了数值计算效率,实现了对大长细比柔性立管涡激振动问题的求解。选取长细比为1750的柔性立管实验模型和长细比为3691的工程实际深海立管作为研究对象,利用该模型分别对单根立管附加多根控制杆和串列双立管的横向涡激振动进行了数值模拟。数值计算结果表明附加多根控制杆以后立管的横向位移振幅显著减小,位移和流体力的振荡特性以及涡脱落模式都发生了显著变化。串列双立管上游立管的涡激振动响应特性与单根立管很相似,振动处于周期稳定的锁定状态。由于尾流干涉作用,下游立管的涡激振动响应特性与上游立管大不相同,其横向位移最大值明显比上游立管大,而位移标准差最大值却比上游立管小,整个立管上的涡激振动具有很强的随机性,处于非锁定的不稳定状态,涡脱落形态极不规则。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
主要符号表  14-15
1 绪论  15-29
  1.1 研究背景和意义  15-16
  1.2 圆柱体涡激振动的研究进展  16-17
  1.3 涡激振动抑制措施的研究进展  17-28
  1.4 本文主要研究内容  28-29
2 涡激振动基本理论  29-50
  2.1 圆柱绕流和涡脱落现象  29-30
  2.2 圆柱体涡激振动  30-31
  2.3 无量纲参数  31-41
    2.3.1 流体相关参数  31-35
    2.3.2 耦合运动相关参数  35-37
    2.3.3 结构相关参数  37-41
  2.4 涡激振动的研究方法  41-49
    2.4.1 实验研究  41-46
    2.4.2 经验模型  46-47
    2.4.3 数值模拟  47-49
  2.5 小结  49-50
3 多根控制杆抑制措施的大尺度实验研究  50-97
  3.1 引言  50-51
  3.2 实验目的  51
  3.3 实验设置  51-64
    3.3.1 实验水池  51-52
    3.3.2 实验装置  52-54
    3.3.3 管模型  54-56
    3.3.4 控制杆  56-58
    3.3.5 支撑固定装置  58-61
    3.3.6 测量仪器  61-64
  3.4 数据分析  64-71
    3.4.1 应变信号预处理  64
    3.4.2 模态分解  64-66
    3.4.3 误差分析  66-67
    3.4.4 主控模态  67-69
    3.4.5 疲劳破坏  69-71
  3.5 实验结果  71-95
    3.5.1 来流角的影响  71-76
    3.5.2 间距的影响  76-89
    3.5.3 覆盖率的影响  89-95
  3.6 小结  95-97
4 多根圆柱体横向受迫振动的二维数值模拟  97-124
  4.1 引言  97-98
  4.2 流动控制方程  98-99
  4.3 方程的数值离散  99-101
  4.4 计算边界条件  101-102
  4.5 网格运动算法  102-103
  4.6 相关无量纲参数  103-105
  4.7 数值模型的验证  105-107
  4.8 数值计算结果  107-123
    4.8.1 多根圆柱体固定绕流  108-111
    4.8.2 多根圆柱体横向受迫振动  111-123
  4.9 小结  123-124
5 柔性立管涡激振动的切片法准三维数值模拟  124-167
  5.1 引言  124-125
  5.2 柔性立管的结构动力学响应分析  125-136
    5.2.1 结构运动方程  125-126
    5.2.2 运动方程的有限元离散  126-129
    5.2.3 边界条件  129
    5.2.4 运动方程的求解  129-130
    5.2.5 固有频率和固有振型的求解  130-136
  5.3 基于切片法的准三维流固耦合  136-139
    5.3.1 切片的划分  136-137
    5.3.2 传递参数  137
    5.3.3 流固耦合过程  137-138
    5.3.4 并行计算方法  138-139
  5.4 数值计算结果  139-164
    5.4.1 单根立管附加多根控制杆  139-150
    5.4.2 串列双立管  150-164
  5.5 切片法适用性的讨论  164-165
  5.6 小结  165-167
6 结论与展望  167-170
创新点摘要  170-171
参考文献  171-180
攻读博士学位期间发表学术论文情况  180-182
致谢  182-183
作者简介  183-184

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