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深水隔水管涡激振动控制装置的数值模拟

作　者: 谭波
导　师: 王嘉松
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 隔水管涡激振动控制装置旋涡脱落亚临界数值模拟
分类号: TE951
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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(Vortex Induced Vibration, 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。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-20
  1.1 选题背景  8-9
  1.2 隔水管安全保护装置的作用与重要性  9-11
  1.3 隔水管涡激振动的研究现状  11-13
    1.3.1 国外研究的现状  11-13
    1.3.2 国内研究的现状  13
  1.4 隔水管VIV 的预测和控制的研究方法  13-19
    1.4.1 半经验模型  13-15
    1.4.2 数值模拟方法  15
    1.4.3 完全解析方法  15-16
    1.4.4 实验方法  16
    1.4.5 VIV 工程分析软件  16-17
    1.4.6 各种相关的设计规范  17-19
  1.5 本文的主要工作  19-20
第二章隔水管水动力学理论模型的建立  20-27
  2.1 隔水管模型的理论简化  20-23
    2.1.1 海水洋流状态的简化  20-21
    2.1.2 隔水管及附加装置结构模型的简化  21-23
  2.2 隔水管流动的控制方程  23-24
    2.2.1 流体力学控制方程  23-24
    2.2.2 结构动力学控制方程  24
  2.3 隔水管VIV 控制的数值模拟方法  24-26
    2.3.1 不附加控制装置的隔水管流动的数值模拟  24-26
    2.3.2 附加控制装置后隔水管流动的数值模拟  26
    2.3.3 附加控制装置前后隔水管VIV 特征的对比分析  26
  2.4 本章小结  26-27
第三章圆柱绕流理论与涡激振动现象  27-36
  3.1 概述  27-28
  3.2 圆柱绕流  28-33
    3.2.1 尾迹旋涡的脱落与转化  29
    3.2.2 圆柱的受力分析  29-31
    3.2.3 旋涡脱落模态与雷诺数的关系  31-32
    3.2.4 旋涡脱落的稳定性  32-33
  3.3 涡激振动和VIV 现象  33-35
    3.3.1 涡激振动  33-34
    3.3.2 共振现象的产生  34-35
  3.4 涡激振动控制效果的评价标准  35
  3.5 本章小结  35-36
第四章不加VIV 控制装置的隔水管数值模拟结果与分析  36-48
  4.1 计算区域网格划分  36
  4.2 初边界条件  36-37
    4.2.1 初始条件  37
    4.2.2 边界条件  37
  4.3 数值模拟结果及分析  37-47
    4.3.1 流场的水动力学特征  37-41
    4.3.2 受力情况  41-44
    4.3.3 振动的频率  44-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章附加分离盘的隔水管VIV 数值模拟  48-61
  5.1 分离盘的模型及结构参数  48
  5.2 计算区域网格划分  48
  5.3 数值模拟结果及分析  48-59
    5.3.1 流场的水动力学特征  49-55
    5.3.2 受力情况  55-58
    5.3.3 振动的频率  58-59
  5.4 本章小结  59-61
第六章附加整流罩的隔水管VIV 数值模拟  61-72
  6.1 整流罩的模型及结构参数  61
  6.2 计算区域网格划分  61
  6.3 数值模拟结果及分析  61-71
    6.3.1 流场的水动力学特征  62-66
    6.3.2 受力情况  66-69
    6.3.3 振动的频率  69-71
  6.4 本章小结  71-72
第七章优化结构的选取  72-79
  7.1 受力情况  72-74
  7.2 振动的频域分析  74-78
  7.3 本章小结  78-79
第八章结论与展望  79-82
  8.1 结论  79-80
  8.2 对今后工作的展望  80-82
参考文献  82-88
攻读硕士学位期间的发表的论文  88-89
致谢  89-91

深水隔水管涡激振动控制装置的数值模拟

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