【摘要】：本文基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)（CSD）方法，對(duì)圓柱體的渦激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同工況下柱體受力系數(shù)、振動(dòng)幅值以及尾流漩渦脫落模式等變化規(guī)律，探索海洋立管的渦激振動(dòng)機(jī)理；并進(jìn)一步研究帶抑振裝置圓柱體的渦激振動(dòng)及抑振效果；在此基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)圓柱體渦激振動(dòng)的干涉問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；最后對(duì)深水立管結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)三維渦激振動(dòng)數(shù)值模擬。具體內(nèi)容如下： 1、流體—圓柱體結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)數(shù)值模擬方法研究 在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外對(duì)CFD流固耦合研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文考慮了渦激振動(dòng)參數(shù)并結(jié)合CFD方法，建立流固耦合系統(tǒng)的渦致振動(dòng)無(wú)量綱數(shù)值模型。選擇SST k模型模擬流場(chǎng)變化，同時(shí)采用Newmark-β法控制柱體邊界的運(yùn)動(dòng)。最后給出流固耦合求解的具體實(shí)現(xiàn)方法，確定流固耦合數(shù)值模擬的求解流程，并編制相應(yīng)的計(jì)算程序。 2、單圓柱體渦激耦合振動(dòng)數(shù)值模擬 首先，以單圓柱體為基礎(chǔ)建立了單柱體渦激振動(dòng)CFD數(shù)值模型，并編制fsi-xy.c結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)程序。通過(guò)得到的受力系數(shù)與振幅變化規(guī)律，分析圓柱體在流體作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。給出尾流渦結(jié)構(gòu)，揭示柱體振動(dòng)與漩渦脫落模式間的關(guān)系。 3、帶抑振裝置柱體渦激耦合振動(dòng)數(shù)值模擬 應(yīng)用流體—柱體結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)數(shù)值模擬方法研究帶抑振裝置單柱體的二維渦激振動(dòng)響應(yīng)。分別建立尾翼為14mm、10mm的帶三角導(dǎo)流板柱體以及帶板狀導(dǎo)流板柱體的流固耦合數(shù)值模型，并根據(jù)流固耦合系統(tǒng)求解流程對(duì)其進(jìn)行模擬。分別將模擬得到的帶抑振柱體振動(dòng)幅值與受力系數(shù)的變趨勢(shì)、振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡以及不同截面柱體尾流漩渦脫落模式等結(jié)果與單圓柱體模擬結(jié)果進(jìn)行比較，分析不同抑振裝置的工作原理。 4、群柱體系干擾效應(yīng)數(shù)值模擬 針對(duì)實(shí)際海洋工程中常見(jiàn)的串聯(lián)與并列兩種形式圓柱體進(jìn)行渦激振動(dòng)數(shù)值模擬。分別建立柱間距比L/D=3~10串聯(lián)排列，以及柱距比G/D=5~10的并列排列兩圓柱體流固耦合數(shù)值模型，編制fsi-2c-xy.c結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)程序，并采用特殊宏同時(shí)控制同一時(shí)間步內(nèi)的兩柱體的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)求解雷諾數(shù)范圍為6300~18000時(shí)流體與柱體的耦合響應(yīng)，分析不同排列形式下，柱間距比與流速對(duì)兩柱體橫向與順流向振幅、受力系數(shù)以及質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡的影響規(guī)律。結(jié)果表明：兩種排列方式的干擾效應(yīng)明顯不同。 5、立管結(jié)構(gòu)準(zhǔn)三維渦激振動(dòng)數(shù)值模擬 為更準(zhǔn)確的模擬立管在諸多因素（如雷諾數(shù)，結(jié)構(gòu)性質(zhì)，流體作用等）的影響下的復(fù)雜耦聯(lián)振動(dòng)，同時(shí)為避免三維流場(chǎng)模擬計(jì)算量大、結(jié)果不易收斂等缺點(diǎn)，本文以靜力等效為基礎(chǔ)，將三維結(jié)構(gòu)與二維流體相結(jié)合，建立準(zhǔn)三維渦激振動(dòng)流固耦合數(shù)值模型。將兩端固定連接的立管簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)模型，各質(zhì)點(diǎn)在二維平面上均被視為彈簧—阻尼模型，彈簧剛度基于靜力等效計(jì)算得到。分別對(duì)各質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行二維流固耦合模擬，最終得到立管結(jié)構(gòu)整體的渦激振動(dòng)響應(yīng)。 最后，進(jìn)行立管渦激振動(dòng)無(wú)比尺實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證建立的準(zhǔn)三維數(shù)值模型。通過(guò)對(duì)比立管渦激振動(dòng)物理模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者得到的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的變化規(guī)律基本一致。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P756.2

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本文編號(hào)：2786031