渦激振動是導致深海立管發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及疲勞破壞的重要原因之一,實際工程中為減小或者消除渦激振動的影響,增加深海立管的安全使用壽命,往往需要使用渦激振動抑制措施。我國渦激振動抑制措施的研究工作與國外相比還存在很大差距,尤其是針對大長細比柔性立管方面的研究仍非常有限。深海油氣開發(fā)工程的快速發(fā)展,迫切需要開展細長柔性立管渦激振動抑制措施的創(chuàng)新性研究工作。 本文依托國家863計劃項目,提出了一種新型的多根控制桿渦激振動抑制措施,通過水池大尺度實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,以細長柔性立管作為主要研究對象,對多根控制桿抑制措施的抑制效果、抑制性能的影響因素和抑制機理進行了比較系統(tǒng)的研究,并就多根圓柱體渦激振動問題進行了一些基礎(chǔ)理論研究探索。 文中首先簡要介紹了渦激振動的基本理論,主要包括圓柱體渦激振動基本概念,研究中涉及的主要無量綱參數(shù),以及渦激振動的研究方法。 第三章開展了水池大尺度實驗,利用拖曳方法產(chǎn)生均勻流,綜合考慮來流方向、間距和覆蓋率對抑制性能和張力的影響,比較系統(tǒng)地研究了多根控制桿抑制措施對大長細比柔性立管渦激振動的抑制效果。實驗結(jié)果表明多根控制桿對立管渦激振動響應(yīng)有非常顯著的抑制作用,能夠同時消減立管CF和IL兩個方向最高達90%的位移響應(yīng),使疲勞破壞減小2個數(shù)量級以上,并且由多根控制桿造成的張力增加不明顯。抑制性能對來流方向具有較強的適應(yīng)性,間距越小、覆蓋率越高則抑制效果越好,文中給出了建議優(yōu)化的間距和覆蓋率。 第四章利用二維數(shù)值模擬方法研究了多根圓柱體橫向受迫振動問題。首先通過計算單根圓柱體固定繞流和橫向受迫振動對數(shù)值模型進行了驗證,然后利用該模型對多根圓柱體固定繞流和橫向受迫振動進行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)當結(jié)構(gòu)振動頻率接近于固定不動時的渦脫落頻率時,流體-結(jié)構(gòu)能量傳遞關(guān)系、結(jié)構(gòu)位移和升力的相位關(guān)系以及渦脫落模式會都會發(fā)生顯著的改變,從而造成了升力振幅和振蕩模態(tài)的突變。通過分析單圓柱和不同來流角下多圓柱的渦脫落模式和流體壓力分布,揭示了多根控制桿抑制措施對立管渦激振動的抑制機理。 第五章基于切片法建立了準三維流固耦合數(shù)值模型,通過引入并行計算技術(shù),顯著提高了數(shù)值計算效率,實現(xiàn)了對大長細比柔性立管渦激振動問題的求解。選取長細比為1750的柔性立管實驗?zāi)Ｐ秃烷L細比為3691的工程實際深海立管作為研究對象,利用該模型分別對單根立管附加多根控制桿和串列雙立管的橫向渦激振動進行了數(shù)值模擬。數(shù)值計算結(jié)果表明附加多根控制桿以后立管的橫向位移振幅顯著減小,位移和流體力的振蕩特性以及渦脫落模式都發(fā)生了顯著變化。串列雙立管上游立管的渦激振動響應(yīng)特性與單根立管很相似,振動處于周期穩(wěn)定的鎖定狀態(tài)。由于尾流干涉作用,下游立管的渦激振動響應(yīng)特性與上游立管大不相同,其橫向位移最大值明顯比上游立管大,而位移標準差最大值卻比上游立管小,整個立管上的渦激振動具有很強的隨機性,處于非鎖定的不穩(wěn)定狀態(tài),渦脫落形態(tài)極不規(guī)則。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：P756.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號表
1 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 圓柱體渦激振動的研究進展
    1.3 渦激振動抑制措施的研究進展
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
2 渦激振動基本理論
    2.1 圓柱繞流和渦脫落現(xiàn)象
    2.2 圓柱體渦激振動
    2.3 無量綱參數(shù)
        2.3.1 流體相關(guān)參數(shù)
        2.3.2 耦合運動相關(guān)參數(shù)
        2.3.3 結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)
    2.4 渦激振動的研究方法
        2.4.1 實驗研究
        2.4.2 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?br>        2.4.3 數(shù)值模擬
    2.5 小結(jié)
3 多根控制桿抑制措施的大尺度實驗研究
    3.1 引言
    3.2 實驗?zāi)康?br>    3.3 實驗設(shè)置
        3.3.1 實驗水池
        3.3.2 實驗裝置
        3.3.3 管模型
        3.3.4 控制桿
        3.3.5 支撐固定裝置
        3.3.6 測量儀器
    3.4 數(shù)據(jù)分析
        3.4.1 應(yīng)變信號預(yù)處理
        3.4.2 模態(tài)分解
        3.4.3 誤差分析
        3.4.4 主控模態(tài)
        3.4.5 疲勞破壞
    3.5 實驗結(jié)果
        3.5.1 來流角的影響
        3.5.2 間距的影響
        3.5.3 覆蓋率的影響
    3.6 小結(jié)
4 多根圓柱體橫向受迫振動的二維數(shù)值模擬
    4.1 引言
    4.2 流動控制方程
    4.3 方程的數(shù)值離散
    4.4 計算邊界條件
    4.5 網(wǎng)格運動算法
    4.6 相關(guān)無量綱參數(shù)
    4.7 數(shù)值模型的驗證
    4.8 數(shù)值計算結(jié)果
        4.8.1 多根圓柱體固定繞流
        4.8.2 多根圓柱體橫向受迫振動
    4.9 小結(jié)
5 柔性立管渦激振動的切片法準三維數(shù)值模擬
    5.1 引言
    5.2 柔性立管的結(jié)構(gòu)動力學響應(yīng)分析
        5.2.1 結(jié)構(gòu)運動方程
        5.2.2 運動方程的有限元離散
        5.2.3 邊界條件
        5.2.4 運動方程的求解
        5.2.5 固有頻率和固有振型的求解
    5.3 基于切片法的準三維流固耦合
        5.3.1 切片的劃分
        5.3.2 傳遞參數(shù)
        5.3.3 流固耦合過程
        5.3.4 并行計算方法
    5.4 數(shù)值計算結(jié)果
        5.4.1 單根立管附加多根控制桿
        5.4.2 串列雙立管
    5.5 切片法適用性的討論
    5.6 小結(jié)
6 結(jié)論與展望
創(chuàng)新點摘要
參考文獻
攻讀博士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況
致謝
作者簡介

【參考文獻】

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本文編號：2833988