本文關(guān)鍵詞：考慮內(nèi)流的細長柔性立管渦激振動數(shù)值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：海洋立管作為聯(lián)系海底與海面的油氣通道,在現(xiàn)代海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用,其下端一般與萬向節(jié)相連,上端則可連于平臺的滑移節(jié)或鉆探船舶等。海洋立管內(nèi)部通過具有一定流速且高壓的液體或氣體,外部則承受波浪、水流的作用。當水流以一定的流速流過立管等柱狀物時,立管兩側(cè)會交替產(chǎn)生泄渦,泄渦使立管受到橫向及流向的周期外部流體力,引發(fā)立管渦激振動,而立管的振動又會改變其尾流結(jié)構(gòu),兩者相互作用影響。當管內(nèi)流質(zhì)以一定流速通過發(fā)生渦激振動(彎曲振動)的立管時,管內(nèi)流體將會受到離心力和科氏力作用,在一定條件下出現(xiàn)二次流(secondary flow),使內(nèi)流場從直管的哈根-泊肅葉流轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪?helical flow)。內(nèi)流場的改變對應(yīng)內(nèi)部流體力的變化,而這些力作用在立管上,使立管發(fā)生渦激振動以外的附加振動。可見,細長柔性立管在內(nèi)、外部流動的共同作用下的振動響應(yīng)問題是一個非常復雜、高度非線性的流固耦合問題。盡管對立管渦激振動響應(yīng)的研究開展較早,但考慮內(nèi)流的立管渦激振動的研究成果并不多。本文采用浸入邊界法(immersed boundary method)來實現(xiàn)流固耦合的數(shù)值模擬,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了并行計算程序Cg LES IBM,結(jié)合自行開發(fā)的隱式結(jié)構(gòu)動力求解器X-code,實現(xiàn)了對考慮內(nèi)流的細長柔性立管渦激振動的數(shù)值模擬。本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.對僅考慮橫流向渦激振動的柔性立管進行數(shù)值模擬研究,模擬中考慮內(nèi)流流速、質(zhì)量比等因素的影響,并考察柔性立管前三階振型下的渦激振動特點,發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量比柔性立管對內(nèi)流的響應(yīng)更明顯,內(nèi)流的出現(xiàn)降低了立管的固有頻率,隨著內(nèi)流流速的增大橫流向的振幅反而下降等特點。2.對考慮兩向渦激振動的柔性立管進行數(shù)值模擬研究,模擬中考慮內(nèi)流流速、質(zhì)量比等因素的影響,并考察柔性立管前三階振型下的渦激振動特點,并與僅考慮橫流向振動的立管模型進行對比,發(fā)現(xiàn)順流向的彎曲振動會加強橫流向的振幅,內(nèi)流的出現(xiàn)將會導致參與振動的振型數(shù)增加等。3.對柔性立管的尾流場進行研究,發(fā)現(xiàn)柔性立管的尾流場表現(xiàn)出了很強的三維性特征,本文的算例都表現(xiàn)出了駐波振動特征,尾渦模式為平行交叉瀉渦,尾流模式較為復雜。內(nèi)流的出現(xiàn)導致尾流特征長度發(fā)生了一定的變化。4.對渦激振動下輸流立管內(nèi)流場的二次流效應(yīng)進行研究,發(fā)現(xiàn)在一定條件下,內(nèi)流場可以形成一對或幾對反向旋轉(zhuǎn)的流向渦渦對。在整個振動周期內(nèi),流向渦渦對的數(shù)目和位置隨著立管的運動狀況發(fā)生著周期性變化,且流向渦渦對數(shù)目增加后,立管內(nèi)流場的流向渦三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。通過流體不穩(wěn)定性理論,進一步對立管內(nèi)流場的周期性變化和三維性等特征進行了解釋。
【關(guān)鍵詞】：柔性立管 渦激振動 內(nèi)流 二次流 流向渦
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P756.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 研究背景及意義12-17
• 1.2 渦激振動的研究方法17-19
• 1.2.1 數(shù)值研究方法17-19
• 1.2.2 實驗研究方法19
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題19-27
• 1.3.1 考慮內(nèi)流的柔性立管渦激振動響應(yīng)19-23
• 1.3.2 輸流管道的內(nèi)流場結(jié)構(gòu)23-24
• 1.3.3 圓柱渦激振動的外流尾流模態(tài)24-27
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容27-28
• 第二章 柔性圓柱的渦激振動28-51
• 2.1 基本概念28-35
• 2.1.1 立管的類型28-29
• 2.1.2 結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)29-31
• 2.1.3 渦激振動的基本概念31-32
• 2.1.4 渦激振動的控制參數(shù)32-34
• 2.1.5 渦激振動中的幾個頻率34
• 2.1.6 關(guān)于鎖定34-35
• 2.2 柔性立管的模態(tài)分析35-40
• 2.2.1 有限元模態(tài)分析方法35-36
• 2.2.2 梁的固有頻率和固有振型的解析解36-37
• 2.2.3 考慮軸向力的梁的固有頻率和固有振型的解析解37
• 2.2.4 考慮內(nèi)流的立管固有頻率37-39
• 2.2.5 柔性立管的彎曲形態(tài)39-40
• 2.3 輸流管道振動特性40-42
• 2.3.1 臨界流速Vcr41-42
• 2.4 二次流42-51
• 2.4.1 二次流現(xiàn)象42-43
• 2.4.2 微分幾何及Frenet標 架理論43-46
• 2.4.3 控制二次流的基本參數(shù)46-48
• 2.4.4 流向渦48-49
• 2.4.5 臨界迪恩數(shù)Dncritical49-51
• 第三章 數(shù)值模擬方法51-61
• 3.1 浸入邊界法概述51-52
• 3.2 浸入邊界法原理52-54
• 3.2.1 傳統(tǒng)浸入邊界法52-53
• 3.2.2 嵌入式迭代浸入邊界法53-54
• 3.3 浸入邊界法的插值函數(shù)和分布函數(shù)54-55
• 3.4 結(jié)構(gòu)動力求解方法55-59
• 3.4.1 質(zhì)量矩陣57
• 3.4.2 剛度矩陣57-58
• 3.4.3 阻尼矩陣58-59
• 3.5 流固耦合方法實現(xiàn)59-61
• 第四章 考慮內(nèi)流的柔性立管渦激振動61-105
• 4.1 計算區(qū)域邊界條件和網(wǎng)格劃分61-63
• 4.2 計算參數(shù)63-64
• 4.3 模態(tài)分解64-65
• 4.4 Hilbert變換及x-y振動同步性65-66
• 4.5 僅橫流向振動的高質(zhì)量比輸流立管的渦激振動響應(yīng)66-71
• 4.5.1 振動特性66-69
• 4.5.2 能量譜69-70
• 4.5.3 振幅及振動特征位置70-71
• 4.6 僅橫流向振動的低質(zhì)量比輸流立管的渦激振動響應(yīng)71-74
• 4.6.1 振動特性71-74
• 4.6.2 能量譜74
• 4.6.3 振幅及振動特征位置74
• 4.7 考慮雙向振動的高質(zhì)量比輸流立管的渦激振動響應(yīng)74-90
• 4.7.1 振動特性74-80
• 4.7.2 能量譜80-83
• 4.7.3 振動軌跡及x-y振 動同步性83-86
• 4.7.4 振幅及平衡位置86-90
• 4.8 考慮雙向振動的低質(zhì)量比輸流立管的渦激振動響應(yīng)90-99
• 4.8.1 振動特性90-93
• 4.8.2 能量譜93-95
• 4.8.3 振動軌跡及x-y振 動同步性95-96
• 4.8.4 振幅及平衡位置96-99
• 4.9 柔性立管渦激振動的尾流模式99-105
• 4.9.1 尾渦空間特征101-105
• 第五章 渦激振動下的立管內(nèi)流場105-121
• 5.1 僅橫流向振動的輸流立管內(nèi)流場105-113
• 5.1.1 輸流立管內(nèi)流場的流向渦三維結(jié)構(gòu)105-108
• 5.1.2 輸流立管內(nèi)流場的流向渦的時程變化108
• 5.1.3 輸流立管內(nèi)流場的流向渦演變機理108-113
• 5.2 兩向振動的輸流立管內(nèi)流場113-121
• 5.2.1 輸流立管內(nèi)流場的流向渦三維結(jié)構(gòu)114-116
• 5.2.2 輸流立管內(nèi)流場的流向渦的時程變化116-117
• 5.2.3 輸流立管內(nèi)流場的流向渦演變機理117-121
• 第六章 結(jié)論與展望121-125
• 6.1 本文創(chuàng)新點121-122
• 6.2 主要結(jié)論122-123
• 6.2.1 考慮內(nèi)流的立管渦激振動122-123
• 6.2.2 渦激振動下的立管內(nèi)流場123
• 6.3 工作展望123-125
• 參考文獻125-131
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明131-132
• 致謝132-133

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