發(fā)布時(shí)間：2020-09-27 21:25

　　 隨著世界對(duì)石油需求量的逐年增加,石油短缺的矛盾越來越突出,為緩解該矛盾,人類逐漸從陸地鉆井發(fā)展到海上鉆井,并逐年加大了深海石油勘探、開發(fā)的力度。作為深海油氣用開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,海洋立管以其全新的形式、動(dòng)態(tài)的特性以及高技術(shù)特點(diǎn)變得格外引人注目。海流、波浪及平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不斷作用于立管之上,尤其是當(dāng)渦脫落頻率接近立管的固有頻率時(shí),會(huì)引起立管的共振,發(fā)生所謂的“鎖定”現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹆⒐艿钠趽p壞,縮短立管的使用壽命,因此在立管的設(shè)計(jì)過程中首先要考慮渦激振動(dòng)的影響。 本文的研究?jī)?nèi)容包括三大部分：一是繞圓柱湍流場(chǎng)計(jì)算尺度效應(yīng)的研究及湍流場(chǎng)發(fā)展變化的研究；二是彈性支撐剛性圓柱體渦激振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算；三是立管在真實(shí)海洋環(huán)境下的非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)研究。 本文通過闡述我國(guó)海洋石油開采能力與世界先進(jìn)水平的差距以及渦激振動(dòng)對(duì)立管設(shè)計(jì)的重要性,論證了本文選題的理論意義和工程意義。分別從實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方法(EFD)、計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)和半經(jīng)驗(yàn)方法(SEM)總結(jié)和歸納了渦激振動(dòng)的研究進(jìn)展,指出了當(dāng)前渦激振動(dòng)研究領(lǐng)域存在的一些亟待解決的問題。同時(shí)系統(tǒng)地闡述了渦激振動(dòng)的機(jī)理、詳細(xì)歸納了渦激振動(dòng)的相關(guān)參數(shù),并概述了求解湍流運(yùn)動(dòng)和流固耦合問題的數(shù)值方法。 對(duì)雷諾數(shù)103～107范圍內(nèi)圓柱體的繞流場(chǎng)進(jìn)行了大量細(xì)致的數(shù)值計(jì)算。應(yīng)用雷諾平均納維爾——斯托克斯方程(RANS),通過方程分析得到了有關(guān)湍動(dòng)能和湍流耗散率這兩個(gè)表征湍流脈動(dòng)特性的相似數(shù),用以衡量湍流計(jì)算的尺度效應(yīng),并給出相似數(shù)隨雷諾數(shù)變化的規(guī)律。結(jié)果表明,在主流方向的尾流中心線上當(dāng)Re≥3×106時(shí),湍動(dòng)能和湍流耗散率隨著雷諾數(shù)的變化趨于平穩(wěn)。而后研究了四種計(jì)算尺度下的湍流場(chǎng)及其發(fā)展變化(包括流向平均速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)、湍流動(dòng)能和湍流耗散率),并比較了不同計(jì)算尺度下圓柱湍流場(chǎng)的特征。最后,對(duì)Re≥3×106這一雷諾數(shù)范圍的湍流場(chǎng)特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究,給出湍流脈動(dòng)量在下游的發(fā)展變化規(guī)律。 采用雷諾平均納維爾——斯托克斯方程(RANS),結(jié)合RNG k-ε和SST k-ω這兩種不同的湍流模型,研究了低質(zhì)量比彈性支撐剛性圓柱體的自激振動(dòng)問題。從頻率響應(yīng)、振幅響應(yīng)、對(duì)升力的譜分析、三個(gè)響應(yīng)分支的水動(dòng)力性能、尾渦模式和計(jì)算效率等方面比較了兩種湍流模型的模擬效果,結(jié)果表明SST k-ω湍流模型在整體上優(yōu)于RNG k-ε湍流模型。并對(duì)振動(dòng)圓柱體的三個(gè)響應(yīng)分支(初始分支、上端分支和下端分支)的湍流場(chǎng)(包括壁面壓力系數(shù)、壁面切應(yīng)力系數(shù)、流向平均速度、流向速度脈動(dòng)值、橫向速度脈動(dòng)值和雷諾應(yīng)力的分布)及其發(fā)展變化進(jìn)行了研究,與同等雷諾數(shù)下固定圓柱體的湍流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。 建立了真實(shí)海洋環(huán)境下立管三維非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)控制方程。采用Morison方程求解順流力；Facchinetti改進(jìn)的尾流振子模型求解橫向升力,考慮了附加質(zhì)量系數(shù)的變化：軸向力的計(jì)算考慮平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)。在計(jì)算分析中考慮的非線性主要包括大變形引起的幾何非線性、流體動(dòng)力非線性和流固耦合非線性。在邊界條件的處理上,綜合考慮了波浪、海流、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)(升沉和縱蕩運(yùn)動(dòng))的影響,并且上下邊界的處理考慮了轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響。采用更新的拉格朗日方法(Updated Lagrangian Method)解決大變形引起的幾何非線性問題,采用Newton-Raphson迭代法求解非線性方程組。在此基礎(chǔ)上討論了三維空間立管的非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)的影響因素。同時(shí),研究了高雷諾數(shù)剪切流條件立管的多模態(tài)渦激振動(dòng)響應(yīng),討論了剪切參數(shù)對(duì)立管渦激動(dòng)力響應(yīng)的影響,并比較了均勻來流和剪切流條件下不同的響應(yīng)特征。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：P756.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號(hào)表
1 緒論
    1.1 選題的目的和意義
    1.2 海洋平臺(tái)立管介紹
    1.3 渦激振動(dòng)的機(jī)理
        1.3.1 渦的產(chǎn)生與脫落
        1.3.2 旋渦脫落產(chǎn)生的流體力
        1.3.3 固定圓柱體的旋渦尾流
        1.3.4 圓柱體運(yùn)動(dòng)對(duì)尾流的影響
        1.3.5 振動(dòng)圓柱體的旋渦尾流
    1.4 渦激振動(dòng)的基本參數(shù)
    1.5 渦激振動(dòng)研究進(jìn)展
        1.5.1 渦激振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究
        1.5.2 渦激振動(dòng)的CFD模型
        1.5.3 渦激振動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br>    1.6 求解湍流及流固耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法
    1.7 本文的主要工作
2 繞圓柱湍流場(chǎng)尺度效應(yīng)的研究及發(fā)展變化計(jì)算
    2.1 控制方程及脈動(dòng)相似數(shù)的推導(dǎo)
    2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件
    2.3 程序驗(yàn)證
    2.4 繞圓柱湍流場(chǎng)尺度效應(yīng)的研究
        2.4.1 主流方向上湍流量的尺度效應(yīng)
        2.4.2 斜流方向上湍流量的尺度效應(yīng)
        2.4.3 橫流方向上湍流量的尺度效應(yīng)
    2.5 四種尺度下湍流場(chǎng)發(fā)展變化的計(jì)算
        2.5.1 Re=2700時(shí)湍流場(chǎng)發(fā)展變化的計(jì)算
        2.5.2 Re=34300時(shí)湍流場(chǎng)發(fā)展變化的計(jì)算
        2.5.3 Re=1×10~5時(shí)湍流場(chǎng)發(fā)展變化的計(jì)算
        2.5.4 Re=3×10~6時(shí)湍流場(chǎng)發(fā)展變化的計(jì)算
    2.6 高雷諾數(shù)下繞圓柱湍流場(chǎng)發(fā)展變化的研究
    2.7 本章小結(jié)
3 圓柱渦激振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算
    3.1 計(jì)算模型
        3.1.1 計(jì)算流體力學(xué)控制方程
        3.1.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制方程
        3.1.3 湍流模型
        3.1.4 網(wǎng)格劃分
        3.1.5 求解方法
    3.2 計(jì)算結(jié)果
        3.2.1 中等質(zhì)量比采用RNG κ-ε 湍流模型的計(jì)算結(jié)果
        3.2.2 低等質(zhì)量比采用RNG κ-ε 湍流模型的計(jì)算結(jié)果
        3.2.3 低等質(zhì)量比采用SST κ-ω 湍流模型的計(jì)算結(jié)果
    3.3 不同湍流模型下圓柱渦激振動(dòng)的計(jì)算比較
    3.4 自激振動(dòng)圓柱體湍流場(chǎng)及發(fā)展變化的研究
        3.4.1 升、阻力系數(shù)的研究
        3.4.2 近壁面湍流效應(yīng)研究
        3.4.3 湍流場(chǎng)的發(fā)展變化研究
    3.5 本章小結(jié)
4 海洋立管非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)分析
    4.1 三維立管非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)控制方程
        4.1.1 單位長(zhǎng)度順流力的確定
        4.1.2 單位長(zhǎng)度的橫向力的確定
        4.1.3 單位長(zhǎng)度軸向力的確定
        4.1.4 邊界條件
        4.1.5 控制方程的離散及求解
        4.1.6 程序驗(yàn)證
    4.2 立管非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)影響因素分析
        4.2.1 非線性影響因素分析
        4.2.2 結(jié)構(gòu)影響因素分析
        4.2.3 環(huán)境載荷影響因素分析
        4.2.4 平臺(tái)與立管相互作用影響因素分析
    4.3 剪切流作用下立管渦激響應(yīng)的研究
        4.3.1 剪切參數(shù)的影響
        4.3.2 模態(tài)響應(yīng)研究
        4.3.3 均勻流和剪切流條件下渦激響應(yīng)的比較
    4.4 本章小結(jié)
5 結(jié)論與展望
參考文獻(xiàn)
創(chuàng)新點(diǎn)摘要
攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果
致謝
作者簡(jiǎn)介

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2828390