隨著世界各國經(jīng)濟的不斷增長,各國逐漸開始重視對海洋資源的開發(fā)利用,而海洋立管則是海洋資源開發(fā)中不可或缺的結構物。海洋立管的材料屬性是制約其在深海領域應用的一個重要因素。傳統(tǒng)金屬海洋立管隨著水深的增加由于自身重量大導致其對頂張力的要求也不斷增大,從而遏制了在深海領域的應用。纖維復合材料具有良好的耐腐蝕性、保溫隔熱性和抗疲勞性等特點,纖維復合材料海洋立管成為了一種新的發(fā)展形式,但同樣面臨著海洋環(huán)境誘發(fā)的渦激振動從而導致的疲勞破壞問題。相對于傳統(tǒng)金屬海洋立管,纖維復合材料海洋立管的動力特征研究還處在起步階段,存在許多不足。本文首先考慮了立管的種類、立管的長細比以及洋流流速三種因素,利用正交試驗確定結構與環(huán)境因素的組合,基于計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）的方法,借助ANSYS Workbench平臺,對這些組合進行雙向流固耦合作用下的渦激振動數(shù)值模擬,得到相關數(shù)據(jù),分析不同因素以及不同水平參數(shù)對立管渦激振動的影響。研究表明:在相同前提下,纖維復合材料海洋立管不論在橫流向上的振動幅值還是在順流向上的振動幅值,都比傳統(tǒng)金屬海洋立管大且立管越長、流速... 

【文章來源】：山東理工大學山東省

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

各種類型的海洋平臺及立管系統(tǒng)

山東理工大學碩士學位論文第二章纖維復合材料海洋立管和渦激振動的基礎理論112.4渦激振動的原理及相關參數(shù)2.4.1渦激振動的原理在海洋工程研究領域，大部分為圓柱形截面構件，這也導致圓柱形成為模型試驗和數(shù)值模擬研究的首選形狀。當流體流經(jīng)圓柱體時，在結構的后面上下兩側交替性地發(fā)生漩渦的生成和脫落從而產(chǎn)生順流向和橫流向的流體力作用于結構上，如圖2.1(a)所示；而流體力又使結構在這兩個方向產(chǎn)生壓力差而發(fā)生振動，如圖2.1(b)所示。漩渦的生成和脫落產(chǎn)生兩個方向的流體力導致結構發(fā)生振動，結構的振動又會反過來影響流場下一次漩渦的生成與脫落，這種流場和結構之間的相互作用過程引起的振動被稱為“渦激振動”，其運動具有多自由度、非線性的特點。(a)流體力方向(b)振動方向圖2.1渦激振動原理圖Fig.2.1Vortex-inducedvibrationprinciple2.4.2雷諾數(shù)雷諾數(shù)是研究渦激振動流體參數(shù)的主要參數(shù)之一，是流體中慣性力與粘滯力的比值，可以反映出層流向湍流轉變尺度的大小，由此可以判斷流場當前的流動狀態(tài)。ReUDUD（2.1）其中：U為來流速度；ρ為流體密度；D為圓柱直徑；為動力學粘性系數(shù)；為運動學粘性系數(shù)。雷諾數(shù)影響著尾渦的脫落形式，流場中圓柱體的尾流漩渦脫落的形態(tài)隨雷諾數(shù)的變化，如圖2.2[74]所示。(a)(b)(c)

山東理工大學碩士學位論文第二章纖維復合材料海洋立管和渦激振動的基礎理論12(d)(e)(f)圖2.2漩渦脫落形態(tài)與雷諾數(shù)的關系Fig.2.2RelationshipbetweenvortexsheddingandReynoldsnumber當Re較低時，如圖2.2(a)所示，流體能平穩(wěn)的流過，圓柱體與流體不分離；當(5-15)<Re<40時，如圖2.2(b)所示，圓柱體后面會出現(xiàn)一對漩渦，且附著于圓柱后方并不會脫落；當40<Re<150時，如圖2.2(c)所示，尾流漩渦交替脫落，形成卡門渦街；當150<Re<3×105時，如圖2.1(d)所示。值得一提的是，當雷諾數(shù)在[150，300]時，尾流的湍流效應開始顯現(xiàn)，開始向湍流過度；當雷諾數(shù)在[300，3×105]時，表層流動狀態(tài)轉變?yōu)橥牧�，尾流中的漩渦以非常規(guī)則的周期進行脫落，這一臨界區(qū)域又被稱作亞臨界區(qū)域；當3×105<Re<3.5×106時，如圖2.2(e)所示，尾流中漩渦脫落變得雜亂無章，周期性消失；此后Re繼續(xù)增大到超臨界雷諾數(shù)區(qū)域，即Re>3.5×106，如圖2.2(f)所示，尾流中漩渦的脫落又開始的變的有規(guī)律起來。2.4.3斯特勞哈爾數(shù)物理學家斯特勞哈爾（Strouhal）是世界上最早研究渦街現(xiàn)象的人，他在研究風吹過金屬絲發(fā)出聲音時創(chuàng)立了此數(shù)。斯特勞哈爾數(shù)（Strouhalnumber）是在流體力學中討論物理相似與模化時引入的相似準則，該數(shù)是描述繞流圓柱漩渦脫落頻率fs的特征參數(shù)，如公式（2.2）所示。立管的振動頻率與漩渦的脫落頻率有關，但理論上求解漩渦脫落頻率相當困難，因此實際工程中一般用斯特勞哈爾數(shù)來確定漩渦脫落的頻率。立管的自振頻率是渦激振動VIV分析中的關鍵性因素，因為當立管的自振頻率接近渦旋脫落頻率時會發(fā)生“鎖振”。由于大幅度和破壞性的振動，“鎖振”現(xiàn)象將導致立管的疲勞失效。StsfDU（2.2）其中：fs為漩渦脫落頻率；U為來流速度；D為立管直徑。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]海洋熱塑性增強管（RTP）渦激振動數(shù)值計算[J]. 芮雪,陳東陽,王國平.  力學學報. 2020(01)
[2]海流對渦激振動的影響[J]. 彭斌.  中國水運(下半月). 2019(12)
[3]海洋鉆井隔水管橫向振動機理的研究[J]. 韓春杰,郭明,王祥旭,閆鐵.  化工自動化及儀表. 2019(12)
[4]基于流固耦合作用的纖維增強復合材料海洋立管渦激振動的三維計算流體動力學模擬[J]. 葛士權,王春光,孫明鈺,王有鏜.  濟南大學學報(自然科學版). 2020(01)
[5]圖像測量技術在海洋工程管線振動模型實驗中的應用研究[J]. 杜海,孟娟,李木國,吳浩,陳兵.  實驗室科學. 2019(05)
[6]考慮順流向和橫流向耦合作用的海洋立管渦激振動響應特性[J]. 柳軍,郭曉強,劉清友,王國榮,何玉發(fā),李建.  石油學報. 2019(10)
[7]細長圓柱體渦激振動行波動力學特征的實驗研究[J]. 隋國策,段夢蘭,武曉東.  動力學與控制學報. 2019(06)
[8]海洋結構物動力實驗設計與實踐[J]. 婁敏,張耘晗.  實驗技術與管理. 2019(09)
[9]振蕩流下細長柔性圓柱渦激振動數(shù)值分析[J]. 鄧迪,付博文,萬德成.  水動力學研究與進展（A輯）. 2019(04)
[10]海洋立管渦激振動新型抑制裝置研究[J]. 李云龍,顧繼俊.  管道技術與設備. 2019(04)

碩士論文
[1]多因素影響下柱體繞流及其渦激振動特性研究[D]. 孔祥鑫.青島科技大學 2018
[2]多參數(shù)聯(lián)合作用下的海洋立管渦激振動研究[D]. 崔陽陽.山東理工大學 2018
[3]波流聯(lián)合作用下輸流海洋立管流固耦合振動特性研究[D]. 丁云.昆明理工大學 2018
[4]考慮來流角的四圓柱繞流與渦激振動試驗及數(shù)值研究[D]. 楊康.浙江大學 2018
[5]復合材料海洋立管屈曲和止屈研究[D]. 陳傳杰.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[6]粗糙圓柱體渦激振動響應數(shù)值模擬[D]. 楊家棟.西南石油大學 2017
[7]復合材料懸鏈線立管的數(shù)值模擬和優(yōu)化設計[D]. 王竹.華中科技大學 2017
[8]液力減振器結構異響形成過程的流固耦合仿真與分析[D]. 汪明明.重慶大學 2014
[9]纖維纏繞增強復合管外壓及組合荷載下的屈曲性能研究[D]. 王諾思.浙江大學 2013
[10]鋼絲纏繞增強塑料復合管外壓失穩(wěn)研究[D]. 朱彥聰.浙江大學 2007



本文編號：3496481