本文選題：渦激振動及其抑制 + 高速攝像技術(shù)��； 參考：《西南石油大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：海洋油氣運輸立管在復(fù)雜海洋環(huán)境中受到海流沖擊,會導(dǎo)致立管發(fā)生渦激振動現(xiàn)象,而渦激振動是誘發(fā)海洋立管失效的重要原因之一。海洋油氣輸運工程中常常在立管周圍布置或安裝渦激振動抑制裝置以增加其服役周期和降低失效概率。近年來,我國渦激振動及其抑制的研究雖然有所發(fā)展,但相比國外,大柔性、大長徑比柔性管及相關(guān)抑制的研究工作還存在一定差距。隨著我國對海洋資源的重視,海洋油氣工程的飛速發(fā)展,柔性立管渦激振動及抑制研究工作亟待開展。本文基于有效利用海洋立管周圍附屬管纜的設(shè)想,針對柔性管渦激振動和附屬圓柱對渦激振動抑制效果進行物理實驗研究和數(shù)值模擬分析。對不同數(shù)量、不同安裝位置的附屬圓柱在不同流速下的抑制效果進行了探究。首先,對實驗水槽進行流速測試,根據(jù)水流條件,建立柔性管模型實驗,經(jīng)過簡單測試,對于無法達到實驗條件的水槽進行改造。構(gòu)建非介入測量——高速攝像技術(shù)應(yīng)用于本文物理實驗研究,以獲取柔性管渦激振動位移。通過將裸柱和裝有附屬圓柱的柔性管置于不同流速的均勻流中,由于實驗水槽的限制,約化速度范圍只能達到一階振動的下端分支,只觀察到了一階振動模態(tài)。由于呈現(xiàn)一階振動狀態(tài),振幅最大處均為跨中,頻率隨約化速度增大而呈線性增加,流速范圍內(nèi)立管運動軌跡均為"8"字形,立管振動形態(tài)大多數(shù)以管道中點對稱。附屬圓柱能有效的抑制柔性管渦激振動響應(yīng),抑制效果最大達到90%。安裝附屬圓柱后柔性管振動頻率變化規(guī)律基本不變,頻率相比裸柱有所降低;附屬圓柱會導(dǎo)致柔性管振動軌跡變得十分雜亂。附屬圓柱設(shè)置在振幅峰值處抑制效果優(yōu)于安裝端部,非對稱安裝附屬圓柱會使柔性管振形向安裝一側(cè)偏移。合理利用計算資源,對12inch(0.3048m)海洋立管進行了二維數(shù)值模擬。模擬實驗均通過驗證,驗證參數(shù)采用物理實驗測得參數(shù),二維模擬結(jié)果更符合短直剛性圓柱振動變化規(guī)律。附屬圓柱數(shù)量為8時,適應(yīng)性最好,相比其余2個數(shù)量,抑制效果差異低于 30%。考慮到實驗條件的限制,無法觀察到物理實驗柔性管尾部的旋渦形態(tài)和實時振動位形,利用CFX和Transient Structural對三維物理實驗尺寸進行雙向流固耦合模擬實驗研究。相比二維模擬而言,三維模擬結(jié)果與物理實驗結(jié)果更加接近,其取得一階振動最大振幅對應(yīng)的約化速度比二維相差更小。一階共振區(qū)不同軸向距離能觀察到不同尾流旋渦,兩端呈2S,跨中附近為P+S和2P模式。安裝附屬圓柱的柔性管IL和CF振幅顯著減小。可以明顯觀察到旋渦脫落受到了干擾。
[Abstract]:Marine oil and gas transportation risers are impacted by ocean currents in complex marine environment, which will lead to vortex-induced vibration of risers, which is one of the important reasons to induce the failure of marine risers. Vortex vibration suppression devices are often arranged or installed around risers in offshore oil and gas transportation projects to increase their service life and reduce failure probability. In recent years, although the study of vortex-induced vibration and its suppression has been developed in China, there is still a certain gap in the research work of large flexibility, large aspect ratio flexible tube and related suppression. With the rapid development of offshore oil and gas engineering in China, the research on Vortex induced vibration and suppression of flexible risers needs to be carried out. Based on the assumption of effective use of the attached pipe cable around the marine riser, the physical experimental study and numerical simulation analysis are carried out for the Vortex induced vibration of the flexible tube and the suppression effect of the attached cylinder on the vortex-induced vibration. The suppression effects of different numbers and different mounting positions of attached cylinders at different velocities were investigated. Firstly, the flow velocity of the experimental flume was measured, and the flexible tube model was established according to the flow conditions. After simple test, the flume that could not reach the experimental condition was reformed. Non-interventional measurement-high speed camera technique was constructed to obtain the Vortex induced vibration displacement of flexible tube. By placing the bare column and the flexible tube with an attached cylinder in a uniform flow with different velocities, the reduced velocity range can only reach the lower branch of the first order vibration due to the limitation of the experimental flume, and only the first order vibration mode is observed. Because of the first-order vibration state, the maximum amplitude is in the middle span, the frequency increases linearly with the increase of the reduced velocity, the trajectory of the riser in the velocity range is all "8" zigzag, and the vibration pattern of the riser is mostly symmetrical at the midpoint of the pipe. The attached cylinder can effectively suppress the vortex-induced vibration response of the flexible tube, and the maximum suppression effect is 90%. The vibration frequency of the flexible tube after installing the attached cylinder is basically unchanged and the frequency is lower than that of the bare column, and the attached cylinder will cause the flexible tube vibration trajectory to become very chaotic. The suppression effect of the attached cylinder at the peak amplitude is better than that at the end of the installation, and asymmetric installation of the attached cylinder will make the vibration of the flexible tube move to one side of the installation. Two dimensional numerical simulation of 12inchus 0.3048m ocean riser is carried out by using calculation resources reasonably. The experimental results show that the parameters are measured by physical experiments, and the results of two-dimensional simulation are more suitable for the vibration variation of short straight rigid cylinders. When the number of attached columns was 8, the adaptability was the best, and the difference of inhibition effect was lower than that of the other two. Considering the limitation of the experimental conditions, it is impossible to observe the vortex shape and the real time vibration configuration of the tail of the flexible tube in the physical experiment. The bidirectional fluid-solid coupling experimental study on the three-dimensional physical experimental size is carried out by using CFX and transient structure. Compared with the two-dimensional simulation, the three-dimensional simulation results are closer to the physical experimental results, and the reduction velocity corresponding to the maximum amplitude of the first-order vibration is smaller than that of the two-dimensional simulation. Different wake vortices can be observed at different axial distances in the first order resonance region. The amplitudes of IL and CF for flexible tubes with attached cylinders are significantly reduced. It can be observed that the vortex shedding is disturbed.
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE973.92

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本文編號：2035597