【摘要】：海洋立管是海洋工程中連接海底與海洋平臺的重要運輸部件，其作為一種細(xì)長結(jié)構(gòu)，在海洋環(huán)境載荷作用下的受力與響應(yīng)機理非常復(fù)雜。渦激振動是典型的立管動力響應(yīng)現(xiàn)象，該現(xiàn)象一方面使得結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜化，另一方面會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞而降低可靠度，因此，渦激振動的機理和特性研究一直是海洋工程領(lǐng)域研究的前沿?zé)衢T課題。近年來隨著計算機技術(shù)的進步和軟硬件水平的提高，國外學(xué)者開始嘗試直接模擬三維海洋立管渦激振動。 本文采用數(shù)值計算方法，在通用程序平臺上，將CFD方法與FEM方法相結(jié)合，對一系列頻率比（結(jié)構(gòu)自振頻率與固定圓柱繞流渦泄頻率的比值）的彈性柱體進行二維渦激振動模擬，并對比單自由度與雙自由度的二維渦激振動特性。在此基礎(chǔ)上模擬三維渦激振動，對比不同來流情況下三維柔性立管渦激振動特性，并與二維渦激振動特性作對比。文中采用FLUENT作為流場的求解器，用LES方法模擬二維、三維渦激振動的流場；同時，采用ANSYS作為立管結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的求解器，用有限元方法模擬立管的動力響應(yīng)。本文基于Workbench平臺，由一種全新瞬態(tài)強耦合方法實現(xiàn)雙向流固耦合中流固耦合面數(shù)據(jù)的無縫交換傳遞。 本文通過二維渦激振動模擬，由于雙自由度模型考慮了來流向位移響應(yīng)，通過比較單自由度與雙自由度模型橫向的振幅、橫向振幅的均方根、“相位轉(zhuǎn)換”所對應(yīng)的頻率比等等問題，均證明了雙自由度模型對研究渦激振動特性的重要意義。文中通過對不同頻率比下二維渦激振動的模擬研究重點探討以下問題： 第一，單自由度和雙自由度模型均產(chǎn)生了“協(xié)調(diào)（in phase）”和“不協(xié)調(diào)（out-phase）”、“拍擊（beat）”、“鎖住（lock-in）”、“相位切換（phase-switch）”等現(xiàn)象，但雙自由度模型經(jīng)歷“相位切換”、“拍擊”階段所對應(yīng)的頻率比與單自由度相比較小。 第二，成功捕抓到不同階段的尾流渦場現(xiàn)象，在“鎖住”階段主要是兩排渦的尾流渦場，而在其他階段主要是單排渦的形式；在頻率比較低的情況表現(xiàn)出“2P”形態(tài)的尾流渦場，，在頻率比較高的情況下表現(xiàn)出“2S”的尾流渦場。 第三，發(fā)現(xiàn)圓柱橫流向振動產(chǎn)生的繞流速度以及渦泄的位置是導(dǎo)致渦激振動時橫流向位移響應(yīng)與升力是否產(chǎn)生相位差的根本原因。 第四，對以下規(guī)律分別給出探索性的解釋：(1)對于從“鎖住”階段到“拍擊”階段尾流漩渦產(chǎn)生“雙排渦”與“單排渦”切換的原因；(2)不同頻率比下單自由度與雙自由度升力系數(shù)均方根差別的原因；(3)不同頻率比下單自由度與雙自由度阻力系數(shù)平均值表現(xiàn)出本文中所述規(guī)律的原因。 第五，總結(jié)歸納出十分有意義渦激振動特性，包括：(1)“相位切換”階段升力系數(shù)的均方根最小以及升力系數(shù)與橫流向位移響應(yīng)相位差出現(xiàn)近180°的跳躍現(xiàn)象；(2)在“鎖住”階段橫流向位移均方根較大；(3)“拍擊”階段出現(xiàn)多頻振動的特征；(4)在較大頻率比范圍內(nèi)，出現(xiàn)渦泄頻率鎖定在結(jié)構(gòu)振動頻率上；(5)在某些頻率比的渦激振動的阻力系數(shù)頻率與升力系數(shù)頻率并不是兩倍的關(guān)系，等等。 在二維渦激振動的基礎(chǔ)上，本研究還對三維柔性立管渦激振動進行直接的三維數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬結(jié)果與他人的實驗進行對比，驗證流固耦合方案的可行性以及網(wǎng)格與邊界條件的合理性。本研究開展了不同來流下柔性立管渦激振動特性的研究，分析了三維柔性立管渦激振動結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，得出三維柔性立管各個位置處的振動響應(yīng)特征（包括運動軌跡），還成功捕抓到三維柔性立管渦激振動出現(xiàn)相鄰階振動模態(tài)切換的現(xiàn)象，以及柔性立管所表現(xiàn)出的“行波”特征與立管兩端表現(xiàn)出“駐波”特征。本研究還對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的頻率特征進行分析，發(fā)現(xiàn)三維柔性立管渦激振動表現(xiàn)出多頻的振動現(xiàn)象，而且在較高速度來流下，立管渦激振動還表現(xiàn)出寬帶譜的振動響應(yīng)特點。最后對柔性立管尾流渦形態(tài)的分析，區(qū)分了立管不同位置的渦形態(tài)：在立管中部主要表現(xiàn)出“2P”或“P+S”形態(tài)，而在立管兩端主要表現(xiàn)出“2S”形態(tài)。對比分析了在不同速度來流下，立管尾渦的不同：在較低來流速度下，立管并沒有表現(xiàn)出強烈的三維效應(yīng)，而在較高來流速度下，立管表現(xiàn)出了強烈的三維效應(yīng)。
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【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P751

【參考文獻】

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本文編號：2442728