發(fā)布時間：2017-07-06 21:17

  本文關(guān)鍵詞：平板流動特性及其對深海平臺垂蕩抑制機理的研究

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【摘要】：平板是一種在工程中廣泛使用的構(gòu)件。由于其特殊的幾何外形，經(jīng)特別設(shè)計的平板構(gòu)件往往發(fā)揮著其它幾何構(gòu)件不可替代的作用，如飛機機翼和船舶減搖鰭等。安裝在深海桁架式單立柱平臺（Truss Spar）上的垂蕩板構(gòu)件就在平臺垂蕩性能的改善方面發(fā)揮著重要作用。由于海洋平臺的垂蕩性能直接關(guān)系著海上油氣鉆采方案的選配和人員及設(shè)備的安全，歷來備受業(yè)界關(guān)注。然而，由于垂蕩板這種平板結(jié)構(gòu)物所牽涉的復(fù)雜的流體力學(xué)機理，垂蕩板的設(shè)計和對安裝有垂蕩板的平臺的垂蕩性能的預(yù)報一直是海洋工程領(lǐng)域的難題。 近20多年來，國內(nèi)外的學(xué)者針對垂蕩板的水動力性能進行了大量的研究。這些研究內(nèi)容豐富、手段多樣，為揭示垂蕩板與流體相互作用的機理做出了重要貢獻。然而，受當時技術(shù)手段的限制，這些研究對于深入解釋垂蕩板的作用機理和準確預(yù)報垂蕩板的水動力性能尚顯不足。一方面，多數(shù)研究局限于對垂蕩板的力學(xué)特性（附加質(zhì)量和阻尼）的討論，鮮有人能夠從流場的角度研究垂蕩板與流體相互作用的機理；另一方面，公開文獻中所用的數(shù)值模擬方法多數(shù)存在過分假設(shè)的問題，如將三維流場簡化為二維進行計算、采用勢流方法求解等。為此，本文以垂蕩板在海洋平臺垂蕩抑制中的應(yīng)用為背景，圍繞平板結(jié)構(gòu)物與流體相互作用的機理，對相關(guān)數(shù)值模擬方法、多種流動形式下的平板流體力學(xué)特性、不同流動參數(shù)和平板幾何特征對平板流體力學(xué)特性的影響、以及多種波浪環(huán)境下平臺垂蕩運動預(yù)報等問題進行了深入研究分析。文中的數(shù)值模擬研究是基于開源計算流體動力學(xué)（CFD）程序包OpenFOAM而進行的。 基于k-ω SST (Shear-Stress Transport)湍流模型的二維數(shù)值模擬研究揭示了二維數(shù)值模擬方法對無限長平板繞流進行數(shù)值模擬的局限性。具體地，，對于截面?zhèn)缺嚷剩ò搴?板寬）小于0.6的平板，二維數(shù)值模擬所得的平板的阻力顯著高于實驗值。 基于大渦模擬方法，對高雷諾數(shù)下無限長平板和圓盤繞流的平均流場特征、尾流頻率特征、平板受力及其與尾流形態(tài)的關(guān)系等問題進行了深入分析。 基于直接數(shù)值模擬方法，對在低雷諾數(shù)下沿自身軸線做往復(fù)振蕩運動的圓盤周圍的流場形態(tài)進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，振蕩圓盤周圍存在三種流動形態(tài)：軸對稱的流場、對稱平面固定的平面對稱流場和對稱平面轉(zhuǎn)動的平面對稱流場，為相關(guān)流動機理的揭示奠定了基礎(chǔ)。 基于大渦模擬方法，對尺度效應(yīng)（即雷諾數(shù)的因素）對圓形垂蕩板（或平板）的水動力特性的影響進行了研究。研究表明，在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)（Re3o=10 108），雷諾數(shù)對垂蕩板的附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)的影響并不顯著。該研究為基于傅汝德相似定律而進行的水池模型試驗提供了理論支持。 基于直接數(shù)值模擬方法，對低雷諾數(shù)下水平流對圓形垂蕩板的水動力特性的影響進行了研究。研究表明，當折合水平流速度增大時，垂蕩板的附加質(zhì)量系數(shù)減小，阻尼系數(shù)增大，且在折合流速度較大時該影響尤為顯著。 基于自主研制的單自由度強迫振蕩裝置，對多種幾何因素對垂蕩板水動力特性的影響進行了實驗研究。研究中考慮的幾何因素包括：垂蕩板的厚徑比、形狀、邊緣倒角半徑、孔隙率（開孔面積/板面積）和開孔大小、以及多垂蕩板的板間距等。 提出了一種對帶有垂蕩板的海洋平臺在波浪中的垂蕩運動響應(yīng)進行數(shù)值求解的簡化方法。該方法的思想在于，采用勢流方法求解平臺上部浮體的水動力系數(shù)和波浪載荷，而用CFD方法求解平臺下部垂蕩板構(gòu)件所受的粘性阻力。研究中，首先基于勢流軟件HydroD求得平臺上部浮體的附加質(zhì)量和勢流阻尼，然后基于開源CFD程序包OpenFOAM求解平臺下部垂蕩板構(gòu)件所受流體阻力，最后在OpenFOAM中建立平臺垂蕩運動方程并采用四階龍格庫塔方法求解，從而獲得隨時間變化的平臺運動結(jié)果。該方法為帶有垂蕩板的平臺的運動的數(shù)值模擬提供了一種新的思路。 總之，以垂蕩板在深海平臺中的應(yīng)用為研究背景，圍繞平板結(jié)構(gòu)物的流體力學(xué)特性，在相關(guān)數(shù)值模擬方法和流動機理的揭示等方面都做了一些探索。該研究為平板結(jié)構(gòu)物的流體力學(xué)機理的揭示和垂蕩板水動力性能的優(yōu)化和預(yù)報提供了有益的參考，部分研究成果和結(jié)論填補了流體力學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究的空白。
【關(guān)鍵詞】：Spar平臺 垂蕩板 平板 計算流體動力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U674.38
【目錄】：

• 附件5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-25
• 第一章 緒論25-41
• 1.1 課題研究背景和意義25-27
• 1.2 Spar平臺垂蕩板研究進展27-38
• 1.2.1 國內(nèi)外垂蕩板研究概況27-35
• 1.2.2 影響垂蕩板水動力特性的因素35-36
• 1.2.3 垂蕩板水動力特性的研究內(nèi)容和研究方法36-37
• 1.2.4 現(xiàn)有研究的不足和亟待解決的問題37-38
• 1.3 本論文研究工作概述38-40
• 1.3.1 研究思路和研究內(nèi)容38-39
• 1.3.2 本論文各章內(nèi)容簡介39
• 1.3.3 本論文的創(chuàng)新性39-40
• 1.4 本章小結(jié)40-41
• 第二章 理論基礎(chǔ)和研究手段概述41-65
• 2.1 流體力學(xué)基礎(chǔ)41-51
• 2.1.1 流動的控制方程41
• 2.1.2 主要的無因次參數(shù)41-45
• 2.1.3 層流和湍流45-47
• 2.1.4 邊界層與流動分離47-49
• 2.1.5 渦的表示方法49-51
• 2.1.6 其它符號的說明51
• 2.2 計算流體動力學(xué)51-64
• 2.2.1 有限體積法與離散格式52
• 2.2.2 流場數(shù)值計算的主要方法52-53
• 2.2.3 邊界條件53-54
• 2.2.4 湍流的模擬及湍流模型54-58
• 2.2.5 動網(wǎng)格方法58-60
• 2.2.6 剛體運動方程的求解方法60-64
• 2.3 實驗流體力學(xué)64
• 2.4 本章小結(jié)64-65
• 第三章 無限長平板繞流的數(shù)值模擬及尾流特性65-107
• 3.1 無限長平板繞流二維數(shù)值模擬65-80
• 3.1.1 引言65-66
• 3.1.2 控制方程66
• 3.1.3 計算區(qū)域和邊界條件66-69
• 3.1.4 網(wǎng)格和時間步長測試69-71
• 3.1.5 結(jié)果分析和討論71-77
• 3.1.6 小結(jié)77-80
• 3.2 無限長平板繞流三維數(shù)值模擬80-102
• 3.2.1 引言80-81
• 3.2.2 控制方程81-82
• 3.2.3 數(shù)值模擬概況82-83
• 3.2.4 網(wǎng)格和時間步長測試83-86
• 3.2.5 數(shù)值方法驗證86-89
• 3.2.6 結(jié)果分析和討論89-97
• 3.2.7 小結(jié)97-102
• 3.3 二維與三維數(shù)值模擬結(jié)果比較102-106
• 3.4 本章小結(jié)106-107
• 第四章 圓盤繞流的數(shù)值模擬及尾流特性107-127
• 4.1 引言107-108
• 4.2 控制方程108-109
• 4.3 數(shù)值模擬概況109-111
• 4.4 網(wǎng)格和時間步長測試及數(shù)值方法驗證111-114
• 4.5 結(jié)果分析和討論114-126
• 4.5.1 阻力和升力系數(shù)114
• 4.5.2 流場渦結(jié)構(gòu)114-118
• 4.5.3 頻率分析118-120
• 4.5.4 雷諾統(tǒng)計量120-126
• 4.6 本章小結(jié)126-127
• 第五章 振蕩圓盤周圍的流場形態(tài)127-145
• 5.1 引言127-128
• 5.2 數(shù)值模擬介紹128-133
• 5.2.1 控制方程128
• 5.2.2 數(shù)學(xué)公式128-131
• 5.2.3 數(shù)值方法驗證131
• 5.2.4 計算區(qū)域和邊界條件131-133
• 5.2.5 網(wǎng)格、時間步長和計算域大小測試133
• 5.3 結(jié)果和討論133-144
• 5.3.1 流動形態(tài)的識別133-136
• 5.3.2 流動形態(tài)A：軸對稱流場136-138
• 5.3.3 流動形態(tài)B：對稱平面固定的平面對稱流場138-144
• 5.3.4 流動形態(tài)C：對稱平面轉(zhuǎn)動的平面對稱流場144
• 5.4 本章小結(jié)144-145
• 第六章 垂蕩板水動力特性的尺度效應(yīng)145-153
• 6.1 引言145-146
• 6.2 控制方程146
• 6.3 數(shù)學(xué)公式146-147
• 6.4 數(shù)值模擬概況147-148
• 6.5 網(wǎng)格和時間步長測試及數(shù)值模型驗證148-149
• 6.6 結(jié)果分析和討論149-152
• 6.6.1 水動力系數(shù)149-150
• 6.6.2 流場渦結(jié)構(gòu)150-152
• 6.7 本章小結(jié)152-153
• 第七章 水平流中垂蕩板的水動力特性153-169
• 7.1 引言153-154
• 7.2 控制方程154
• 7.3 數(shù)學(xué)公式154-155
• 7.4 數(shù)值模擬概覽155-157
• 7.4.1 計算區(qū)域和邊界條件155-156
• 7.4.2 網(wǎng)格和時間步長測試156-157
• 7.5 結(jié)果和討論157-166
• 7.5.1 流場形態(tài)157-161
• 7.5.2 流致阻力系數(shù)161-164
• 7.5.3 附加質(zhì)量系數(shù)164
• 7.5.4 阻尼系數(shù)164-166
• 7.6 本章小結(jié)166-169
• 第八章 垂蕩板的水動力學(xué)模型試驗169-183
• 8.1 引言169
• 8.2 實驗裝置169-171
• 8.2.1 運動機構(gòu)169-170
• 8.2.2 垂蕩板模型170-171
• 8.2.3 傳感器171
• 8.3 實驗工況171-175
• 8.4 水動力系數(shù)和數(shù)據(jù)處理175-176
• 8.5 結(jié)果和討論176-182
• 8.5.1 厚徑比的影響176-177
• 8.5.2 形狀的影響177
• 8.5.3 邊緣倒角半徑的影響177-178
• 8.5.4 開孔特征的影響178-180
• 8.5.5 平板間距的影響180-182
• 8.6 本章小結(jié)182-183
• 第九章 桁架式立柱平臺在波浪中的垂蕩響應(yīng)預(yù)報183-203
• 9.1 引言183-184
• 9.2 平臺的簡化和主要特征參數(shù)184
• 9.3 基于脈沖響應(yīng)方法的平臺垂蕩運動方程184-186
• 9.4 硬艙垂蕩附加質(zhì)量A33和輻射阻尼B33求解186
• 9.5 硬艙所受波浪載荷Fw(t)的模擬186-192
• 9.5.1 規(guī)則波載荷的模擬189
• 9.5.2 不規(guī)則波載荷的模擬189-192
• 9.6 垂蕩板水動力Fp(t)求解192-195
• 9.6.1 控制方程192-193
• 9.6.2 計算域和邊界條件193
• 9.6.3 網(wǎng)格和時間步長收斂性分析及數(shù)值方法驗證193-195
• 9.7 結(jié)果和討論195-202
• 9.7.1 平臺的垂蕩衰減195-198
• 9.7.2 平臺在規(guī)則波中的垂蕩響應(yīng)198-199
• 9.7.3 平臺在不規(guī)則波中的垂蕩響應(yīng)199-202
• 9.8 本章小結(jié)202-203
• 第十章 總結(jié)與展望203-207
• 10.1 主要研究內(nèi)容及結(jié)論203-205
• 10.2 進一步研究展望205-207
• 參考文獻207-217
• 致謝217-219
• 攻讀博士學(xué)位期間完成的學(xué)術(shù)論文目錄219-221
• 攻讀博士學(xué)位期間申請的專利和軟件登記目錄221

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 吳維武;繆泉明;匡曉峰;楊爍;何再明;;Spar平臺垂蕩板受迫振蕩水動力特性研究[J];船舶力學(xué);2009年01期

2 沈文君;唐友剛;劉利琴;;Research on the Hydrodynamic Characteristics of Heave Plate Structure with Different Form Edges of A Spar Platform[J];China Ocean Engineering;2012年01期

3 ;The wake of falling disks at low Reynolds numbers[J];Acta Mechanica Sinica;2012年02期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王穎;Spar平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究[D];上海交通大學(xué);2010年

本文編號：527809