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《第九届全国流体力学学术会议论文摘要集》2016年
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长细比500柔性立管涡激振动时域响应数值计算分析

端木玉  万德成  
【摘要】:涡激振动是深海立管设计的关键问题。随着深海开发向3000米水深推进,为了开采深海海床下的石油资源,海洋平台的立管长度也越来越长。在来流的作用下,由于立管的交替泻涡现象而产生振荡的流体力,从而引发结构的涡激振动。有关深海细长柔性立管的设计一直是工程领域的挑战,如何能够精确的预报出细长柔性立管涡激振动的时域响应并从机理上加深对立管涡激响应模态的理解已成为亟待解决的问题。本文运用切片法数值计算分析长细比L/D=500柔性立管的涡激振动问题。该切片法沿立管的轴向划分多个切片,每个切片采用二维的RANS方法模拟出切片出所受到的流体力,再将每时刻计算所得的流体力带入到基于欧拉-伯努利梁的三维结构动力方程,采用有限元的方法开展流固耦合计算。本文的CFD求解器是基于OpenFOAM平台自主开发。本文通过均匀流与剪切流作用下细长垂直柔性立管的涡激振动响应计算来验证该切片法的有效性。柔性立管长为14m,直径为0.028m,长细比L/D=500,质量比为3.0,顶端预张力T=1610N,均匀来流的大小为0.4m/s,剪切来流的大小为0.3~0.5m/s,剪切率s=0.5,平均雷诺数为1.12e4。对相同的结构参数在不同的流场(均匀流与剪切流)下的涡激振动响应做了详细的对比分析。数值结果显示,均匀流下立管流向和横向的主控模态比较稳定,流向为6阶和横向为3阶。而剪切流下立管在流向和横向上均存在多模态之间的变换,流向为6~7阶,横向为3~4阶。论文从固有频率,立管各节点位移FFT变换的能量谱分析以及节点位移的小波分析来归纳立管主控模态发生的内在机理。论文还从立管流向位移的平均值,立管横向和流向位移的均方根值进行对比分析均匀流和剪切流所得涡激振动的响应差别,验证了应用切片法数值计算分析长细比L/D=500柔性立管涡激振动问题的有效性。

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