【摘要】：陸地能源的緊缺使人們將開發(fā)的目光投向了深海資源,油氣輸送系統(tǒng)中深海閥門管線系統(tǒng)的安全性能則成為重點關注的部分。但水下環(huán)境復雜,波浪力及海流力等載荷不僅會引起閥門管線系統(tǒng)動力特性的改變,嚴重的還會引起管線共振,這將嚴重影響閥門管線系統(tǒng)的安全和使用壽命。本文基于目前國內外關于波、流力作用下水下結構動力響應及渦激振動問題的研究,探究了水下波、流力的分布,并就本次深海閥門管線系統(tǒng)在簡諧動載荷作用下的動力響應和渦激振動現(xiàn)象進行研究,具體工作如下:(1)闡述了本次研究主要背景和研究意義,簡述了國內外關于海洋波浪力、海流力及渦激振動現(xiàn)象的相關研究現(xiàn)狀,介紹了用于計算波浪力、海流力的線性波理論、Morison公式法,以及預應力模態(tài)分析和諧響應分析的計算過程和理論。(2)結合線性波理論與Morison公式法,利用Matlab計算了不同水深下波浪力和波流力、海流力數(shù)值分布,依據(jù)數(shù)據(jù)繪制曲線并進行了總結。對比發(fā)現(xiàn):波浪力、海流力、波流力均為簡諧載荷,隨著水深的增加,波浪力衰減極快,到達一定水深時,波浪力衰減至可忽略。此外,同一水深處對比數(shù)據(jù)表明,當波浪力所處區(qū)域有海流影響時,對波浪力影響很大,因此必須考慮波流力對閥門管線系統(tǒng)的影響。(3)淺海波流力會對結構物產生很大影響,本文結合Fluent軟件與ANSYS Workbench軟件,對閥門管線系統(tǒng)進行了預應力模態(tài)分析和諧響應動力分析。分析發(fā)現(xiàn):兩者趨勢相同,但預應力模態(tài)下固有頻率數(shù)值略高于干模態(tài)頻率,主要原因是預應力的存在一定程度上增大了結構剛度;諧響應頻率曲線表明:結構在第四階、第五階、第六階頻率即41Hz、61Hz、68Hz下達到峰值加速度。(4)進一步探究了深海處海流力產生的影響,對系統(tǒng)基于LES方法進行二維圓柱繞流分析并做FFT轉換。通過渦脫云圖發(fā)現(xiàn)了完整周期內漩渦脫落過程,并且升力曲線為簡諧曲線,呈周期性分布;由功率譜密度曲線可得到漩渦泄放頻率,計算發(fā)現(xiàn)閥門管線系統(tǒng)沒有發(fā)生共振的危險。(5)探究了閥門管線系統(tǒng)分段支撐的臨界懸跨長度下渦激振動現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn):采用動態(tài)和靜態(tài)方法計算出的臨界懸跨長度隨支撐方式的變化而不同,兩端固定時最長,兩端簡支時長度最短;計算發(fā)現(xiàn)f_s0.7f_p,因此閥門管線系統(tǒng)在臨界跨長下不會發(fā)生共振。
【圖文】：

設浪運動研究時，首先假設波浪為理想流體、不可壓縮并且運為光滑水平固壁，上部則是與空氣接觸的自由表面。由于重止狀況時，，根據(jù)靜力學原理，水平面為自由表面，即靜水面（干擾作用下偏離了靜水面時，重力的存在使自由表面又回體產生運動，這類運動不定常并以波的形式傳播。海底是平坦且光滑的，海水靜水深度為 d，此海域中有一速度為 c，并且波浪在向前傳播過程中形態(tài)不發(fā)生任何變.1 所示，其中 XOY 坐標面是與靜水面相重合的，現(xiàn)假定直向上方向為 Z 方向，而坐標原點設置為海底。如圖 2.1要有：波高 H（波峰到波谷的距離）、波長 L（相鄰兩波峰（波峰或者波谷到下一個波峰或波谷所經歷的時間）。設流( , , )x y z V V V ，自由表面高程： ( x , y , t)，現(xiàn)取傳播方向與 浪運動不存在 Y 方向的運動，因此與 Y 坐標無關。

所以波流共同作用力產生的影響顯著。3.1.2 CM、CD、CL系數(shù)的選取應用莫里森公式時比較重要的問題就是如何對系數(shù)進行選取�，F(xiàn)假定流動為定常均勻流，CD的大小是隨參量值而變化的，最為主要的就是 Re 數(shù)， / eR V D，Schlichting[67]和 Hogben[68]給出了光滑圓柱體 CD隨 Re 數(shù)的變化規(guī)律并依據(jù)尾流區(qū)情況和邊界層分離位置劃分為四個 Re 數(shù)區(qū)，如圖 3.1 所示。其中包括：（1）亞臨界區(qū) Re<2x105，層流分離，寬尾流，分離點約為 82 ，CD≈1.2。（2）臨界區(qū) 2x105<Re<5x105,窄尾流，層流向湍流過度，CD（min）≈0.3。（3）超臨界區(qū) 5x105<Re<5x106，湍流分離，尾流逐漸加寬，分離點位于120 ~130 ，CD逐漸增大。（4）后臨界區(qū) Re>5x106,分離點約為 120 ，CD保持常數(shù)，約為 0.6~0.7。Sarpkaya[69]在 綜 合 考 慮 了 各 方 面 因 數(shù) 的 影 響 后 給 出 了 與 卡 朋 特 數(shù)[70]（K VT /D）相關的 CD、CM、CL曲線圖，如圖 3.2、3.3、3.4 所示。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TE973

【參考文獻】

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本文編號：2604135