基于CFD的多弹性立管升力与阻力系数研究

基于Ansys11-Cfd软件模拟横向和竖向双立管6倍中心间距下立管的绕流情况,采用o-grid划分方法对立管处进行加密处理,使结果分析更加精确。针对6倍立管中心间距,横向和竖向排列情况,研究立管升力和拖曳力系数的变化,通过分析比较单立管和不同排列方式的双立管的升力和拖曳力系数,发现弹性情况与立管刚性情况存在很大的区别,弹性情况更符合真实情况。     

基于全相似的串联双立管大雷诺数涡激振动研究

为了解串联双立管的涡激振动情况,基于完全动力相似,采用ANSYS/CFX针对大雷诺数串联双立管的涡激升力和脉动拖曳力以及圆柱绕流和流固耦合,基于物理模型分析串联双立管在不同雷诺数、不同间距下双立管的受力情况,结果表明,当两立管间距较大,采取圆柱绕流的方法代替流固耦合来模拟立管受力时,结果可信并偏安全。     

并列双立管涡激振动特性的数值和实验研究

为了观察并列双立管涡激振动中尾流及升阻力的变化情况,采用CFX数值模拟和实验相结合的方法对单立管及中心间距为2~8倍直径的并列双立管进行研究,CFX计算时考虑流固耦合的作用。结果表明:在间距为3倍立管直径时升力幅值出现最大值,此时两立管拖曳力一致,升力相位差为180°,且此时尾流叠加区域产生了一个与涡泄频率一致的速度变化场,导致立管的拖曳力周期与升力周期相同;随着间距的增加,一侧立管运动轨迹从椭圆形向8字形转变,可见低倍立管间距时,立管间的相互作用明显,随着距离的增大,影响将逐渐减弱。因此立管设计安装时中心距离应远离3倍直径,最好在8倍直径附近比较安全。     

串列双立管螺旋列板抑制涡激振动的数值模拟

在波浪和洋流的作用下,深水立管两侧会出现周期性的漩涡脱落,这一现象极易引发涡激振动,使得立管出现疲劳损伤,显著降低其服役寿命。同时,当立管间距较近时,还会产生流场干涉效应。为研究立管之间的相互干涉作用及螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果,本文采用大涡模拟(LES)的方法,对Re=3 900均匀来流下的串列双立管的涡激振动响应进行三维数值分析。并针对不同的立管间距(3D,5D,8D,D为立管直径)以及附加螺旋列板的情况,建模分析了立管的水动力系数,并进一步探究了螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果。研究结果表明:对于串列双立管情况,下游立管受到上游立管尾涡和自身漩涡脱落的影响,升力系数幅值较单立管时更大。在3种立管间距工况中,立管间距为3D时下游立管升力系数最大,8D时升阻力系数接近单立管情况。附加螺旋列板能有效抑制双立管涡激振动,双立管升力系数明显减小,从而减少了立管的振幅响应。附加螺旋列板双立管之间的相互作用与光滑双立管之间的相互作用总体趋势相似。并且由于列板的分流作用,彻底破坏了立管的脱涡方式,在立管后形成了间距很小,近乎平行的尾涡。     

二维立管Helical Strakes绕流场的ANSYS-CFD分析

利用ANSYS-CFD软件模拟螺旋侧板(helical strakes)对立管涡激振动的抑制作用。对二维的光滑立管和覆盖两种不同螺旋侧板高程的立管,在不同的雷诺数下进行模拟分析,将得到拖曳力和升力结果与数值和实验结果进行对比表明,螺旋侧板可以影响拖曳力和升力的变化,扰乱流场,很好地抑制漩涡的产生。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明:与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出:横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明：与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出：横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

3个附属控制杆对立管水动力影响的CFD模拟

针对3个附属控制杆对深海立管的水动力影响问题,应用CFD大涡模拟方法模拟得到Re=1×105时附属控制杆在来流角α、直径比d/D和间距比G/D的不同参数组合下,升力、阻力和斯特劳哈尔数的变化规律以及立管绕流近壁区的流动特征。研究结果表明,附属杆的存在会干扰立管后方流场,引起尾流结构和涡脱落模式的改变,从而造成流体升力、阻力的变化。随着来流角α的增大,α在30°~60°时抑制效果较好,顺流向的阻力和横流向的升力均大幅减小;间距比G/D取0.2~0.3时附属控制管的布置方式对立管所受交变力的抑制效果最为明显。     

钢悬链线立管整体干涉分析研究

深水海洋立管具有柔性,特别是极端海况条件下,相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力,从而影响其疲劳寿命.钢悬链线立管相比顶张力立管,有效张力较小,对环境载荷作用更加敏感,更容易发生碰撞.基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型,从允许碰撞的角度出发,对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析,研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响,阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律,为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考.     

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=7 800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。     

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。     

尾流干涉下考虑流固耦合作用的海洋立管涡激振动的数值模拟

利用Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,通过求解N-S方程、RNG湍流模型以及结构动力学模型实现流固耦合,对串联间距为4D的等径立管进行数值模拟,分析在尾流干涉下立管的涡激振动。基于数值模拟结果分析:串联间距为4D时上下游立管都有漩涡脱落;下游立管在尾流干涉下,考虑流固耦合时相比固定立管时所受升力增大,立管振动有"失谐",涡激振动到达"锁定"状态以及之后的一段约化速度范围内,升力系数呈现多频现象,且有一个频率总是接近立管固有频率,随着约化速度增大,涡激振动远离"锁定"状态多频现象逐渐减弱,同时升力系数幅值周期性变化,下游立管剧烈振动使其自身尾流区出现"断层"。     

块体形状对水流拖曳力的影响

在计算块体受到的水流拖曳力时,常借鉴针对球体所提出的公式,然而它并不能客观地反映出块体形状对拖曳力产生的影响。文中将块体形状概化为长方体,通过水槽试验测量了水流作用下不同尺度的大颗粒块体受到的水平拖曳力,研究了块体形状对水流拖曳力的影响,并提出了考虑块体形状影响的拖曳力计算公式。     

深水钢悬链线立管顺流向非线性动力分析

深水钢悬链线立管在外部流体作用下的动力响应在立管的性能优化设计中是非常重要的.文章考虑了深水钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型.将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应.探讨了外部流体的非线性作用力对海洋立管顺流向动力响应的影响以及不同流速和拖曳力系数与海洋立管共振响应幅值的关系.     

深水钢悬链线立管非线性动力分析

钢悬链线立管是近年来国内外发展起来的一种新型深水立管系统,由于成本低、对浮体运动有较大适应性,且耐高温高压环境而受到广泛关注。本文主要对钢悬链线立管的运动进行了时域模拟,采用三维集中质量法建立了深海立管模型,考虑重力、浮力、流体拖曳力、张力、惯性力、剪切、弯曲刚度及海床作用的影响。分别用Newton-Raphson和Newmark-β数值方法求解立管的静态、动态特性。主要分析了钢悬链线立管的构型、张力、剪力和弯矩特性,分析了系缆在顶端不同幅值不同频率激励下疲劳特征点的有效张力变化趋势,对比分析了剪切、弯曲刚度对钢悬链立管顶端张力产生的影响。     

缓波型非粘接柔性立管的干涉敏感性

针对非粘接柔性立管在波浪和海流作用下易发生立管干涉的问题,以我国南海某油田输油立管和相邻锚链为例,分别对拖曳力系数、管道单位长度质量、外径、内部介质密度、立管抗拉弯扭刚度和悬挂角度等参数进行敏感性分析,得出不同参数的敏感性情况,并在此基础上提出一些建议供实际工程设计参考.     

整流罩对深海立管水动力影响的数值模拟研究

应用CFD大涡模拟方法,对附有整流罩的深海立管的水动力影响效果进行了三维数值模拟。对不同的弦厚比在雷诺数分别为3 900、10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数及其频谱等特性。模拟结果表明:整流罩对立管升力和阻力有明显的抑制效果,相较于光滑立管,阻力系数均值降幅最大达到24.1%,升力系数均方根值降幅最大达到81.1%。阻力系数均值随弦厚比的增加先减小后趋于平稳升力系数均方根值随弦厚比的增加而增加。对比结果显示,弦厚比为1.2~1.6时,整流罩对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

缓波型非粘接柔性立管的干涉敏感性

针对非粘接柔性立管在波浪和海流作用下易发生立管干涉的问题,以我国南海某油田输油立管和相邻锚链为例,分别对拖曳力系数、管道单位长度质量、外径、内部介质密度、立管抗拉弯扭刚度和悬挂角度等参数进行敏感性分析,得出不同参数的敏感性情况,并在此基础上提出一些建议供实际工程设计参考。     

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。     

平台运动影响下张力腿涡激振动特性研究

张力腿涡激振动易引起系泊系统的疲劳损伤,危害张力腿平台的安全性和可靠性。该文借鉴细长立管涡激振动的相关研究,同时考虑张力腿与立管在截面尺度、预张力大小以及边界条件存在的巨大差距,采用切片理论结合CFD数值模拟方法,对平台运动影响下张力腿涡激振动开展了研究。考虑定常张力与时变张力对涡激振动的影响,采用GAMBIT软件分区建立了多切片计算网格,将编制求解涡激振动的UDF程序嵌入Fluent软件中,采用动网格技术实现流场的更新并计算作用于张力腿上的瞬时升力和拖曳力。文中还比较了仅考虑流和考虑浪、流联合作用张力腿的时变张力影响,研究了两种典型波高共计六种工况,计算结果表明：随着流速的增加,各模态权重比例将发生跳转现象;尽管由于平台运动导致张力腿受力的随机性,但平台运动对张力腿涡激振动影响较小。