【摘要】：深海油氣資源的勘探和開發(fā)過程中,海洋立管作為海面與海底井口的主要鏈接部件,其設(shè)計(jì)與制造是深海技術(shù)關(guān)鍵性高新技術(shù)之一。海洋立管這類圓柱型結(jié)構(gòu)在一定來流下會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng),進(jìn)而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)災(zāi)難,對(duì)該問題的研究具有重要工程意義。圓柱型立管受迫振動(dòng)能有效反映結(jié)構(gòu)振蕩對(duì)結(jié)構(gòu)受力和尾渦的影響、結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)間的能量傳遞信息,本文采用數(shù)值方法,聚焦研究圓柱型立管受迫振動(dòng)對(duì)水動(dòng)力特性的影響。利用CFD軟件OpenFOAM研究了雷諾數(shù)Re=150下直圓柱和波型圓柱在均勻來流中的橫向受迫振動(dòng)。通過改變運(yùn)動(dòng)圓柱的振動(dòng)頻率和振幅,對(duì)比分析直圓柱和波型圓柱所受的升、阻力,確定各自的鎖定區(qū)間,分析在鎖定狀態(tài)下升力及尾渦的變化特性。數(shù)值分析表明:雖然波型圓柱在靜止情況下可完全抑制卡門渦街,但在受迫振動(dòng)下其升、阻力隨著振動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)與直圓柱相似。波型圓柱對(duì)升力和阻力的抑制分別體現(xiàn)在低頻和高頻段。升力曲線在鎖定和非鎖定狀態(tài)下表現(xiàn)不同。研究發(fā)現(xiàn),在鎖定狀態(tài)下,直圓柱尾流區(qū)的瀉渦模式由振動(dòng)頻率控制,存在2S和C(2S)兩種模式;在波型圓柱尾流區(qū)出現(xiàn)唯一的一種瀉渦模式。利用CFD軟件Nektar++開展了雷諾數(shù)Re=500下直圓柱橫向受迫振動(dòng)的三維數(shù)值模擬分析。在固定振幅下,以頻率遞增和頻率遞減兩種方式研究三維情況下的水動(dòng)力學(xué)特性。數(shù)值分析表明:升、阻力系數(shù)、能量傳遞系數(shù)E及相位差的變化曲線均存在滯回現(xiàn)象。頻率遞增方式下,所有突變發(fā)生在上臨界頻率處;頻率遞減方式下,則均發(fā)生在下臨界頻率處。不同方向的振動(dòng)頻率遍歷下,鎖定區(qū)間一致,其較基于二維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果更寬;圓柱運(yùn)動(dòng)時(shí)程與升力時(shí)程間的相位差落在0—180°區(qū)間內(nèi)時(shí),對(duì)應(yīng)正的能量傳遞系數(shù)E,否則,對(duì)應(yīng)負(fù)的能量傳遞系數(shù)E。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE95
【圖文】：

第一章 緒論1.1 選題背景與依據(jù)黨的十九大報(bào)告提出我國要加快建設(shè)海洋強(qiáng)國，而如何實(shí)現(xiàn)深海技術(shù)的跨越式發(fā)展已成為我國跨入海洋強(qiáng)國所遇到的重大挑戰(zhàn)。如圖 1-1 所示，我國南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，約占我國石油總資源的三分之一，其中深海海域的油氣開發(fā)對(duì)保證我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，與國際先進(jìn)水平相比，我國在深水、綠色、安全的海洋高新技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)水平亟待提高。深海油氣資源的勘探和開發(fā)，需要海洋工程提供最先進(jìn)的技術(shù)與裝備，其中作為海面與海底井口間的主要鏈接部件，海洋立管的設(shè)計(jì)與制造是深海技術(shù)關(guān)鍵性高新技術(shù)之一。目前，海洋立管有多種形式，鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)、頂部張緊立管(Top Tensioned Riser，TTR)、混合立管(Hybrid Riser，HR)等，見圖 1-2 所示。

第一章 緒論1.1 選題背景與依據(jù)黨的十九大報(bào)告提出我國要加快建設(shè)海洋強(qiáng)國，而如何實(shí)現(xiàn)深海技術(shù)的跨越式發(fā)展已成為我國跨入海洋強(qiáng)國所遇到的重大挑戰(zhàn)。如圖 1-1 所示，我國南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，約占我國石油總資源的三分之一，其中深海海域的油氣開發(fā)對(duì)保證我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，與國際先進(jìn)水平相比，我國在深水、綠色、安全的海洋高新技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)水平亟待提高。深海油氣資源的勘探和開發(fā)，需要海洋工程提供最先進(jìn)的技術(shù)與裝備，其中作為海面與海底井口間的主要鏈接部件，海洋立管的設(shè)計(jì)與制造是深海技術(shù)關(guān)鍵性高新技術(shù)之一。目前，海洋立管有多種形式，鋼懸鏈線立管(Steel Catenary Riser，SCR)、頂部張緊立管(Top Tensioned Riser，TTR)、混合立管(Hybrid Riser，HR)等，見圖 1-2 所示。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文。TTR 立管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)從多方面因素考慮以避免干涉發(fā)生的危險(xiǎn)，合理間距以有效減小干涉發(fā)生的可能[3, 4]。HR 立管，通常又稱為自由站立式式立管，是由一段垂直于海床的剛性立管和一段連接剛性立管與浮式生柔性跳接管組合而成，在降低浮式生產(chǎn)裝置和立管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)耦合度以勞損傷等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，2010 年應(yīng)用到墨西哥灣的 Cascook 項(xiàng)目中，水深達(dá)到 2600 米[5, 6]。海洋立管這類結(jié)構(gòu)通常處于洋流作用之下，會(huì)發(fā)生持續(xù)的大幅振動(dòng)，其在于來流經(jīng)鈍體形成的旋渦脫落所引起的流體與結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)—（Vortex-Induced Vibration，簡(jiǎn)稱 VIV）。該持續(xù)的大幅度振動(dòng)可能導(dǎo)致發(fā)生疲勞破壞，據(jù)報(bào)道，包括因海洋立管等水下管線損壞導(dǎo)致嚴(yán)重事故目前已有 60 余座海洋平臺(tái)翻沉海底。圖 1-3 展示了這些海洋工程事故對(duì)安全與生態(tài)環(huán)境造成的巨大破壞。故開展立管渦激振動(dòng)的研究對(duì)避免該故具有重要的指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2749286