带螺旋侧板的Spar平台涡激运动数值模拟

[目的]长时间持续的涡激运动可能会引起Spar平台锚泊系统疲劳甚至是平台结构损坏,因此,必须充分考虑到涡激运动的不利影响。[方法]利用自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU以及动网格方法,对Spar平台的涡激运动流场特性进行数值模拟。采用基于剪切输运应力方程的延时分离涡(SST-DDES)湍流模式,对带螺旋侧板的Spar平台的三维精细尾涡结构进行模拟,研究其在不同折合速度下的纵向、横向、艏摇运动响应以及运动轨迹。采用水平线性弹簧系统替代模拟平台系泊系统,并在研究中考虑平台不同自由度间的耦合作用对平台涡激运动的影响,然后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,分析带螺旋侧板的Spar平台横向和流向运动时间历程、频谱特性、锁定现象等,以揭示其涡激运动的内在机理。[结果]结果显示,加装螺旋侧板可有效减小Spar平台涡激运动响应幅值;采用自主开发的CFD求解器计算模拟海洋平台涡激运动问题具有良好的精度和可靠性。[结论]带螺旋侧板Spar平台涡激运动的数值模拟分析对Spar平台实际设计工作具有重要意义。     

两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟

应用离散涡数值方法(Discrete Vortex Method,DVM)对弹性支承的二维圆柱绕流的涡激振动(VIV)问题进行数值模拟,研究单自由度横向运动系统、两自由度系统横向和流向耦合运动这两种模型的计算结果,得到了不同质量比、不同折合速度下的尾涡形状、受力系数和圆柱响应曲线,并分别提取了单自由度和两自由度两种模型所得到的横向振幅进行对比.总结出受质量比和自由度数影响的圆柱响应的变化规律,证实了锁定lock-in现象的发生过程.通过与实验结果的对比,验证了计算结果较为合理和可靠,说明离散涡方法是研究涡激振动问题的有效手段,并且它能够适应高雷诺数下的计算,并且认为圆柱的流向运动对涡激振动起着促进作用,在数值模拟中是应当予以重视的.计算过程采用FORTRAN语言编程实现.     

Spar平台涡激运动的数值模拟

涡激运动对Spar平台的安全性影响已越来越受到重视。文中采用基于粘性流的CFD方法,对海流作用下Spar平台的涡激运动特性开展研究:确定了Spar平台涡激运动的数值分析方法、绘制合理的网格,研究Spar平台横荡、纵荡响应以及平台在水平面内的运动轨迹特点,以及平台运动与漩涡脱落之间的关系;揭示了平台涡激运动随时间变化的发展规律,为下一步提出抑制Spar平台涡激运动的措施提供重要思路。该项研究成果将为开展Spar平台三维涡激响应分析提供一定的参考。     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响。借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟。通过与试验结果对比验证了该方法的可行性。同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤。研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注。     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响.借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟.通过与试验结果对比验证了该方法的可行性.同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤.研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注.     

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。     

剪切流中Cell-Truss Spar平台涡激运动的CFD计算与模型试验研究

目前,Spar平台在离岸深水作业中得到越来越广泛的应用,作为影响spar平台在某些来流条件下运动响应特性的一种重要现象,涡激运动已成为国际海洋工程界亟待研究的一个新课题.本文采用CFD计算与模型试验相结合的方法,对一座称为"Cell-Truss Spar"的新型Spar平台在剪切流作用下发生涡激运动的现象进行了研究.相对于目前已存在并应用的Spar平台,Cell-Truss Spar平台在结构形式上有其自身的特征,研究中充分考虑了这一特征,对其建立适当的CFD计算模型,得到其涡激运动的特征,模拟了锁定现象的发生过程,分析了锁定现象的发生机理和规律;同时制作了精细的物理模型,测试了一系列的剪切流表面流速,得到了Cell-Truss Spar平台涡激运动的一些关键性参数,并成功地观察到了锁定现象的发生.CFD计算与模型试验相互比较,相互验证,最后对该平台涡激运动响应的特征进行了分析和总结,为进一步的涡激运动抑制研究奠定了基础.     

高雷诺数下水翼涡发放频率预报方法

[目的]高雷诺数下水翼绕流问题因其原理复杂、计算困难,一直是水动力领域关注的热点。基于涡量—流函数的离散涡(DVM)模型是一种无网格方法,可有效克服数值粘性问题。同时,在涡量集中区分辨率高,可有效模拟高雷诺数流场中的旋涡运动。使用一种随机涡方法对高雷诺数下二维刚性水翼涡发放频率进行预报。[方法]以NACA 66系列水翼为例,与试验数据对比验证其对涡发放频率预报的准确性。应用此方法分析高雷诺数下来流速度及初始攻角大小对水翼涡发放频率的影响规律。[结果]结果表明:涡发放频率会随来流速度呈非线性增加;随着水翼攻角的增加,泄涡尺寸和涡强不断增大,泄涡频率降低。[结论]来流速度和水翼初始攻角对二维水翼涡发放频率有显著影响,可为螺旋桨桨叶二维剖面的涡发放机理探究,甚至全桨的振动噪声预报提供参考。     

海洋立管涡激振动的数值模拟研究

利用计算流体力学软件CFX分别对刚性和柔性立管的涡激振动进行了二维数值模拟.首先在雷诺数为200时,采用不同的湍流模型,计算了刚性立管的升力系数(CL)和阻力系数(CD).与其它文献结果的比较表明,大涡模拟(LES)在计算精度上要优于其它湍流模型.然后分别计算了不同约化速度下立管的升、阻力系数、漩涡脱落频率以及无因次振幅,分析了流固耦合对立管涡激振动的影响,得到了升阻力系数随雷诺数的变化规律以及“锁定(Lock-in)”现象发生的约化速度范围.     

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。     

临界雷诺数下圆柱涡激振动抑制措施研究

拖缆、海洋立管等在流体力的作用下,会发生涡激振动,容易使这类海洋结构物受到破坏。本文将这一力学现象简化为绕二维圆柱流动问题,通过离散求解二维非定常平均雷诺应力方程(URANS),分析临界雷诺数时(8.21×104Re1.54×106)的流动特性,从而得到绕圆柱流动的涡脱落过程、涡激力与雷诺数之间的关系。本文计算结果和已发表的结果有良好的一致性。在此基础上,本文提出了一种在圆柱体后方安装分隔板来抑制涡激力的简单措施,并通过数值方法验证其有效性。     

高雷诺数下加装导流板的圆柱绕流数值模拟

长圆柱结构在水流冲击和波浪作用下,后端不断产生周期性的漩涡脱落,其诱发的涡激振动会引起结构疲劳损伤,从而破坏结构。在圆柱结构迎流区和尾迹区加装导流板之后,通过阻碍上下剪切层动量交换,延迟边界层分离,从而有效抑制圆柱涡激振动现象。利用数值模拟研究了二维加装导流板的圆柱受力特性。采用k-ω湍流模型,对高雷诺数流动状态(Re=10~6)下的二维导流圆柱在不同迎流速度、及不同迎流角度下所受阻力和升力进行了计算。     

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。     

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。     

平台运动影响下张力腿涡激振动特性研究（英文）

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。     

二维圆柱绕流的离散涡数值模拟

圆柱绕流在工程中广泛存在,通过引入离散涡方法理论,阐述了数值模拟的基本思路和具体过程.从满足物面条件的方式出发,构建了2种便于计算实现离散涡模型,数值模拟了大雷诺数条件下的二维圆柱绕流流场.模拟结果与试验和其他数值结果吻合较好,表明2种模型在处理此类问题时的经济和适用性.利用镜像法模拟所得结果较流函数方法更加精确,说明还需要对流函数模型进行更为精确的描述.     

剪切流作用下立管涡激响应的研究

为研究剪切流作用下立管的涡激振动问题,文章建立了三维立管的涡激动力响应方程,顺流方向的力通过Morison方程求解;横向涡激力采用改进的尾流阵子模型求解,考虑了附加质量的变化;轴向力的计算考虑平台升沉运动的影响。采用有限单元法离散控制方程,离散后的方程采用Newmark-β法在时域求解。在此基础上,研究了剪切流作用下立管的多模态涡激振动响应,讨论了剪切参数对立管涡激动力响应的影响,并比较了均匀流和剪切流条件下立管不同的响应特征。结果表明,剪切参数对立管的涡激响应动力响应有很大的影响,剪切流条件下立管呈现的多模态响应极为复杂,与均匀来流条件下的振幅和频率响应特点明显不同。     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现：在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显“锁定”现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在Ur=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的“8”字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

深吃水半潜生产平台涡激运动特性研究及其参数化分析

本文采用改进的延迟分离涡方法(IDDES)数值模拟深吃水半潜平台的涡激运动,研究深吃水半潜平台在0°、22.5°和45°流向角下的纵向、横向和艏摇运动响应,以及吃水和立柱倒角对半潜平台涡激运动的影响。对比实验数据发现,数值结果与实验数据基本吻合。从计算结果可知,横向运动出现频率锁定现象,但不同流向角下的锁定区域不同,22.5°和45°流向角下的锁定区域发生在6.0V_r8.0,而0°流向角下的锁定区域则相对滞后;艏摇运动响应特性与横向不同,未出现锁定现象,在3.0V_r13.0区间内,艏摇运动响应幅值随V_r的增加而增加。当立柱只有一个倒角时,倒角半径尺寸对半潜平台横向运动响应和艏摇运动响应的影响很小,而当立柱四边都有倒角时,半潜平台的横向运动响应和艏摇运动响应均随倒角半径的增加而变大。半潜平台的横向运动响应和艏摇运动响应均随着吃水增加而增大,当吃水较小(H/D≤0.9)时,半潜平台的横向运动无明显频率锁定现象。     

基于功率方程的圆柱体涡激振动研究

针对预测结构涡激振动响应的半经验性模型,根据动力学普遍方程(达朗贝尔-拉格朗日原理)建立了自由振动圆柱的涡激振动功率方程模型。该模型的建立过程不需要引入经验性参数,是研究流固耦合问题的一般方法,适用性强,易于拓展。为了评估自由振动圆柱功率方程的可靠性,利用计算流体力学(CFD)数值模拟提供的流场信息对功率方程进行求解并与实验结果进行对比。结果表明该模型能够有效地预报圆柱的涡激振动响应。