狗骨头扰流装置对海洋立管涡激振动抑制的数值模拟研究

按照流体力学基本理论,将抑制风振的狗骨头型装置引进到抑制海洋立管的涡激振动上,并采用ANSYSCFX三维流固耦合方法对该装置的抑制效果进行检验。数值模拟检验结果表明：该抑振装置不仅有效降低了横向涡激振动响应,而且也抑制了纵向激励。     

柔性管异形表面结构对其涡激振动影响的数值研究

涡激振动（VIV）是导致海洋立管疲劳破坏的主要诱因,因此,抑制振动是立管设计需关注的重要内容。本文通过运用双向流-固耦合数值计算方法,开展翼型管、纹理管与光滑管的涡激振动响应特性的对比研究,探讨扰流翼板与表面纹理等异形表面结构对涡激振动被动抑制的有效性。计算结果表明：异形表面结构能够有效降低柔性管体的振动响应,缩短锁振区间,并且影响尾流区泄涡发放模式,减小管体流体力系数,起到明显抑制管体涡激振动的作用,且在较高的速度工况下,这种抑制效果更加显著。该研究可为采用被动式振动抑制的翼型管和纹理管等异形结构的海洋立管设计提供一定的理论参考。     

大型海上风电机组整机涡激仿真

随着海上风电机组朝着大型化发展,塔筒高度和叶片长度都显著增加,并且海洋风比陆地风的湍流度更小,这些因素使得大型海上风电机组在吊装或停机状态下频繁出现涡激振动现象。涡激振动增大了风电机组发生强度失效以及疲劳寿命降低的风险。为研究大型海上风电机组整机涡激振动的机理,文章采用仿真方法对某大型海上机组实际发生的涡激振动现象进行复现和分析：首先对风电机组进行流场分析,然后提取流场分析得到的时序载荷,施加到风电机组有限元模型上,进行瞬态分析,从而实现流固耦合仿真。仿真结果表明：风电机组的涡激振动是一种流固耦合现象,主要原因是,在特定风况条件下,气流在塔筒和叶片的壁面处形成周期性脱落的漩涡,对壁面产生周期性的反向载荷。当载荷频率与机组振动的固有频率接近时,使机组发生共振。文章通过仿真方法揭示了大型海上风电机组发生涡激振动的机理,对提出风电机组涡激振动防治策略具有参考意义。     

控制杆对柔性圆柱涡激振动的抑制效果研究

涡激振动会造成海洋柔性柱状构件疲劳损伤,合理的抑制装置能够有效延长结构的使用寿命。控制杆是常见的涡激振动抑制装置,高雷诺数条件下,多根控制杆的排布方式对涡激振动抑制效果的影响有待进一步研究。文中通过设计室内模型实验,观测了高雷诺数条件下控制杆对柔性圆柱涡激振动抑制效果。圆柱模型的长径比为350,质量比为1.9,最高雷诺数可达16 000。研究结果表明:控制杆对柔性圆柱的涡激振动抑制效果显著,四根控制杆的抑制效果优于三根控制杆。     

减振器绕流流场的CFD分析

深水钻采作业过程中使用的各种立管，在海流作用下容易发生涡激振动，引起结构破坏。减振器作为抑制涡激的装置，在现场取得了较好的效果。针对不同尾角结构的减振器，通过流体动力学（CFD）方法，求解NS方程，得到减振器绕流流场的分布，以及横向力、曳力系数的变化规律，通过分析减振器涡激抑制的机理，提出尾角结构的最佳尺寸；针对各种不同方向的来流，计算了减振器的横向力、曳力系数，得到了来流方向对立管涡激振动的影响。结果表明，来流方向与减振器尾角对称轴线方向保持一定的角度时，减振器的效果更佳。     

系统识别法在双自由度涡激振动试验研究中应用(英文)

采用系统识别的方法对双自由度圆柱体的涡激振动特性进行了分析研究.试验是在美国麻省理工大学开展,在得到的圆柱体涡激振动轨迹中,由于受到试验条件的影响,如自由液面和水池池底,得到的轨迹并非对称的"8字形".因此首先对原始试验结果进行了分解,得到其傅里叶级数展开形式,然后采用了系统识别的方法对其进行分解,分别得到对称和非对称的试验结果,并认为对称的结果为理想或深海条件下圆柱体的涡激振动轨迹,而在自由液面和水池池底等其他因数的干扰下,产生了非对称的试验结果.     

新型深水多立柱 FDPSO 涡激运动研究进展

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤,危害其安全、稳定性。平台由于具有较小的纵横比、显著的刚性特征及特有的系泊系统,其涡激运动显示出与立管等细长体涡激振动截然不同的运动特征。文中介绍了FDPSO常采用的特殊升沉补偿装置、多立柱绕流特性及多立柱海洋平台涡激运动的研究进展。鉴于深水多立柱FDPSO涡激运动及稳定性研究是非常复杂的流固耦合问题,文中给出了研究其涡激运动的基本思路和步骤,介绍新型多立柱FDPSO涡激运动的研究方法及现状,为其涡激运动抑制及抑制装置研制提供理论支撑。     

计及海底井口影响的隔水管涡激振动响应特性试验

在靠近海底井口位置,隔水管周围流场受井口系统的影响发生变化,流固耦合下涡激振动可能诱发隔水管在横流向(CF方向)更为剧烈的振动。为了研究受管土装置影响的隔水管涡激振动响应特性,使用自主设计的管土装置模拟海底井口,采用8 m柔性立管,进行了均匀流下单管和受管土装置影响的涡激振动对比试验。试验通过FBG光纤应变片测得应变信息,使用模态叠加法、FFT变换处理分析试验数据,对比分析2组隔水管的主导频率、应变时历与幅值谱、无因次振幅以及激励力系数等参数沿管径的分布情况。结果发现管土装置影响下,隔水管主导频率减小;CF方向涡激振动增大,振幅沿径向呈非对称特征;涡激振动振幅更大,隔水管受流场的激励与阻尼更为剧烈。     

并联布置立管涡激振动抑制装置试验研究

针对分隔板、控制杆和减振器3种涡激振动抑制装置,在波流水槽中进行不同间距下并联布置立管的裸管试验以及抑振管涡激振动试验研究,对比分析3种抑制装置的抑制效果。试验结果表明:在同一流速条件下,附加抑振装置后立管的振动振幅与裸管相比明显降低,所采用的3种抑振装置在不同程度上均抑制海洋立管的涡激振动;从横向振动最优抑制效果来讲,控制杆的效果最好;从顺流向振动最优抑制效果来讲,控制杆和分隔板的效果好,减振器的效果较弱。综合比较不同工况下各个间距和振动方向的最优抑制效果发现,控制杆的最优抑制效果最好,能够对并联立管横向和顺流向的振动起到很好的抑制效果。     

海洋柔性柱体涡激振动抑制装置研究进展

涡激振动是导致海洋柱体结构疲劳损伤的主要原因之一。海洋工程中大型柱体如海洋立管系统、Spar平台等柱体结构大多数运行工况都在超临界、过临界区间,但目前对于超高雷诺数涡激振动抑制装置的研究较少。本文概述涡激振动抑制装置的主要种类、设计方法以及研究进展和难点,并针对涡激振动抑制装置的发展趋势进行展望和提出建议。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

VIV response of a flexible cylinder with varied coverage by buoyancy elements and helical strakes

Many significant engineering challenges have emerged as the petroleum industry has moved their field development and production activities into increasingly deeper water depths. The design of deepwater marine risers presents the combined challenges to minimize top tensioning requirements, mitigate any flow-induced vibrations, and if possible to increase the expected fatigue life of these slender structural members. As part of the design process to achieve these goals external buoyancy modules and strakes have been employed. To gain insight into the complex multi-mode response behavior a recent experimental study was performed and the analysis of selected data sets is presented. In the experiments a horizontal cylinder with a length to diameter ratio of 263 was fitted with a variety of strake and buoyancy element configurations. The models were towed at uniform speeds ranging from 0.4 to 2.0 m/s and fiber optic strain gages were used to measure both in-line and cross-flow strain response. The resulting time series information was processed utilizing the method of time domain decomposition formulated for strain data input and the introduction of modal assurance criterion to resolve the modal strain information that included frequency, mode shape, and critical damping ratio information. The pre-tensioned cylinder without appendages was used as a base case and the results were basically consistent with expectations. In the case of 0.8 m/s low-tension test, multiple closely spaced non-overlapping peaks were observed in both in-line and cross-flow directions and were identified as being of the same mode with mode shapes distorted away from purely sinusoidal behavior. The test data for the 100% coverage by helical stakes demonstrated the effectiveness of that suppression device over the range of current velocities investigated. The most interesting case was that of a staggered combination of helical strakes and buoyancy element whose total for each type of coverage was equal. This effective asymmetric VIV suppression approach is presented and discussed in detail.     

螺旋列板对立管涡激振动的影响

为更好地理解螺旋列板对涡激振动(VIV)的影响,采用大涡模拟(LES)的方法,对长径比为10的立管和不同螺距、螺高的螺旋列板进行模拟分析。结果表明:附加螺旋列板加大了顺流向的阻力,并且在螺高一定时,阻力随着螺距的加大而增大;与螺距相比,螺旋列板的高度对立管VIV的影响更大,且随高度增大,抑制效果越好。     

螺旋列板绕流流场CFD分析

隔水管是海洋钻井作业的关键设备,其安全性至关重要.涡激振动是隔水管失效的重要因素.水深小于500m时,优化隔水管系统可以避免使用涡激抑制装置,超过1000m,必须采用涡激抑制装置.螺旋列板是现场常用的涡激抑制装置.基于流体动力学方法,利用FLUENT软件求解螺旋列板三维绕流流场的控制方程,同时计算了钝体隔水管三维绕流流场,流场参数(升力系数、曳力系数、涡量等)特征进行对比分析,显示出螺旋列板在涡激抑制方面的优势.计算结果表明,虽然螺旋列板能够减小横向升力,但同时会导致流向曳力明显增加.     

Reduction of VIV using suppression devices—An empirical approach

Helical strakes are known to reduce and even eliminate the oscillation amplitude of vortex-induced vibrations (VIV). This reduction will increase the fatigue life. The optimum length and position of the helical strakes for a given riser will vary with the current profile.

The purpose of the present paper is to describe how data from VIV experiments with suppressing devices like fairings and strakes can be implemented into a theoretical VIV model. The computer program is based on an empirical model for calculation of VIV. Suppression devices can be accounted for by using user-defined data for hydrodynamic coefficients, i.e. lift and damping coefficients, for the selected segments.

The effect of strakes on fatigue damage due to cross flow VIV is illustrated for a vertical riser exposed to sheared and uniform current. Comparison of measured and calculated fatigue life is performed for a model riser equipped with helical strakes. A systematic study of length of a section with strakes for a set of current profiles is done and the results are also presented.     

船用大功率两级人字齿行星传动系统的振动特性研究

单级行星传动的动态特性已有很多学者研究,但特大型机械装置(如舰船)中应用的两级人字齿行星传动的动态特性研究还未见报导。为此文章在两级人字齿行星齿轮系统的弯扭耦合动力学方程的基础上,对此行星齿轮系统进行了自由振动的动态特性分析,揭示出两级人字齿行星传动的三种振动模式:星形轮系振动模式、行星轮系振动模式和耦合振动模式,并对三种振动模式进行了特征值问题和模态问题的研究,得到了系统固有频率和振型之间的相互关系,为进一步的动态特性分析奠定了理论基础。     

螺旋侧板的高度对VIV影响的CFD分析

深水立管在来流作用下容易产生流向和横向的周期性位移振动(VIV),这种流固耦合作用会加剧立管结构疲劳,最终导致其功能失效。之前的研究发现螺旋侧板可以有效的抑制VIV的影响,其中侧板高度和螺距等几何参数决定其抑制效率。文章主要基于CFD对不同高度螺旋侧板的立管的尾流场进行数值模拟。结果表明:在研究范围内,螺旋侧板随高度增大抑制VIV效果越好,在H=0.25D(D为立管直径)时作用最佳,但拖曳力系数明显增大,同时来流方向和螺旋侧板的夹角也会影响其抑制效率。     

剪切来流下柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

文章针对柔性立管螺旋列板抑制装置在剪切流场中的涡激振动响应特性进行了试验研究,试验过程中通过旋转臂架从而形成相对剪切来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法,可得到立管的位移响应等参数。试验中针对螺旋列板的螺距和鳍高的变化进行了分析,系统地研究了不同螺旋列板状态下立管的主导频率、主导模态、无量纲振幅比以及疲劳损伤等参数。研究结果表明：螺旋列板可以很好地抑制立管的涡激振动响应;与螺距相比,鳍高对立管涡激振动响应会带来更大的影响;剪切流场中立管螺距恒定为5.0D（D为立管外径）时,鳍高为0.15D时的立管具有最好的抑制效果。     

水力旋流器油-水分离性能数值模拟

本文对两种不同入口型式的水力旋流器的流场进行了数值模拟,湍流模型采用雷诺应力模型,并结合油-水两相流MIXTURE混合模型进行分析,得出：单入口旋流器流场切向速度、轴向速度呈偏心分布,而切向双入口型式的旋流器流场分布对称性明显优于单入口型式;切向双入口旋流器在油-水两相分离时,油相浓度沿着径向方向变化率更大,且更易于向中心区汇聚,利于分离,分离效率要高于单入口旋流器;实验结果证明了模拟结果的正确性。