海流--管道--海床之间动力相互作用的量纲分析及实验模拟装置研制

海底管道涡激振动和管道周围海床冲刷是海流--管道--海床之间复杂的动力耦合问题.文章应用量纲分析方法对海流、管道与海床之间的动力耦合作用进行了分析,确定了在实验模拟中应遵循的相似准则.在此基础上,研制了一套能模拟海流、海床与海底管道之间相互作用的实验模拟装置.初步实验结果表明文中研制的实验模拟装置能够模拟典型海洋环境下海底管道的涡激振动和管道周围海床冲刷等问题.     

海流引起海底管道悬空的数值模拟

海底管道悬跨将影响管道的安全运营.在海底管道稳定性设计中,需要合理分析具有初始嵌入深度的海底管道产生悬空的物理机制.本文对海流作用下铺设于砂质海床上的海底管道悬空进行了数值模拟.求解不可压缩流体N-S方程,分析了海流作用下管道周围的流场特性,研究了管道两侧的压力分布特性和海床表面剪应力的分布特点.在管道绕流流场分析的基础上,通过对土体渗流方程的求解,得到了管道周围砂质海床内的渗流场以及渗流水力梯度场的分布情况.与海床表面剪应力计算结果进行比较分析发现,管道下方渗流出口处土体的流土渗透破坏将诱导管道发生悬空.     

海流引起的海底管道周围砂质海床局部冲刷

海流引起的海底管道周围海床冲刷是海流、管道与海床之间的动力耦合作用问题.目前对管道周围海床冲刷的研究主要是通过试验观测的方法进行的.本文分析评价了近年来海底管道周围砂质海床局部冲刷试验研究的主要研究成果,其中包括局部冲刷机理、极限平衡冲刷深度预测、管悬空长度预测等内容,并对已有研究成果的工程应用进行了初步分析.     

低雷诺数圆柱绕流的大涡模拟分析

以二维圆柱为研究对象,采用大涡模拟的方法对圆柱绕流进行数值模拟。计算的雷诺数Re=400。计算结果能够清晰地反映卡门涡街的周期性脱落。通过对圆柱表面压力分布的深入探究,揭示圆柱尾流中产生周期性旋涡脱落的原因。研究结果中的阻力、升力呈周期性变化规律以及斯特劳哈尔数(St)都与前人实验结果较好吻合,说明大涡模拟能够对低雷诺数的圆柱绕流进行准确的模拟。     

翼板扰流器的参数对海底管线水动力特性的影响

利用计算流体力学数值模拟方法,结合RNG k-ε湍流模型,对安装翼板扰流器的海底管线绕流进行了二维数值模拟。以不同布置形式的翼板扰流器为研究对象,通过改变间隙比和翼板高度,探讨其对海底管线绕流水动力特性的影响。计算结果表明：间隙比为0．3时,翼板扰流器抑制的效果更好,受力情况良好,且A60型翼板管线效果最佳;间隙比相同时升力系数和阻力系数随着翼板高度的增加而增大。建议实际工程中,应尽量避免翼板管线的悬空高度,同时可在管线的不同展向安装不同角度的翼板扰流器,以破坏涡旋发放的规律性。     

海底管道在波流联合作用下的冲刷启动研究

海底管道作为海上石油天然气开发中的一个组成部分,担负着输送石油天然气的重要作用,但海底管道由于冲刷而引起的事故时有发生,故需研究海管管道冲刷启动发生原因及判断海底管道何时会发生冲刷,从而采取针对性的预防措施。本文从海底管道冲刷机理入手,明确了海床发生冲刷条件:实际海底底床切应力大于临界切应力时,海床发生冲刷,相反则不会发生冲刷;接下去又研究了波流联合作用下对海底管道海床的剪切力和不同底质海床抗冲刷强度,通过切应力与海床抗冲刷强度比较,从而判断海床是否发生冲刷启动。最后,通过印尼某海域实际工程案例验证该方法,证明该方法判断冲刷启动可行,也为以后的工程应用提供参考。     

桩群绕流阻力物理模型试验测量技术研究

由于压强差的存在和桩群表面的摩擦力,水流流过桩群时将产生绕流阻力。对于单根桩的复杂水流条件下绕流阻力的理论分析尚待进一步研究,桩群的阻力计算更显复杂,限于理论计算桩群绕流阻力的复杂程度,桩群水流阻力数值模拟和物理模拟技术仍处在概化模拟阶段。为了通过实测数据辅助研究桩群阻力概化方法,依托物理模型技术、传感器发展水平、软硬件系统集成技术而提出一整套对桩群阻力测量技术的解决方案,并分析了测量结果的合理性。     

海底管道管跨的预防和治理

埋设于海底的输液管道,由于海床不平坦或海流对不稳定海床的长期冲蚀以及内外流引起的管道振动等复杂因素,不可避免地使海底管道出现悬空段。本文以海底输油管道为研究对象,分析了管跨形成的原因及危害,提出了管跨的预防及工程治理对策。     

亚临界区雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性研究

采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明,在亚临界区雷诺数下电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。     

绕海底管线悬空段肩部的三维湍流结构的数值研究

用三维有限元方法模拟了恒定来流绕悬空的海底管线与海床相交处,即管线悬空段肩部的三维流动情况.基于管线直径和来流流速的Re数为5×105.应用Smagrinsky亚格子模型来封闭湍流方程.通过对数值研究结果的可视化处理,由涡量幅值的三维等值面可见,绕悬空段肩部在管线上游形成了一条涡管,它的一端绕过半埋于海床的管线段的顶部,另一端延伸至悬空管线上游的海床上;而由对称张量S2+Ω2(S和Ω的分别为速度梯度张量的对称和反对称分量)的特征值定义的涡核可进一步显示三维流动结构的细节.本文的研究为利用数值模型进一步研究海底管线周围局部冲刷沿管线轴向发展打下了初步的基础.     

Effect of bed vicinity on vortex shedding and force coefficients of fluid flow on an offshore pipeline

The effect of rigid bed proximity on flow parameters and hydrodynamic loads in offshore pipelines exposed to turbulent flow is investigated numerically. The Galerkin finite volume method is employed to solve the unsteady incompressible 2D Navier–Stokes equations. The large eddy simulation turbulence model is solved using the artificial compressibility method and dual time-stepping approach. The proposed algorithm is developed for a wide range of turbulent flows with Reynolds numbers of 9500 to 1.5×10⁴. Evaluation of the developed numerical model shows that the proposed technique is capable of properly predicting hydrodynamic forces and simulating the flow pattern. The obtained results show that the lift and drag coefficients are strongly affected by the gap ratio. The mean drag coefficient slightly increases as the gap ratio increases, although the mean lift coefficient rapidly decreases. The vortex shedding suppression happen at the gap ratio of less than 0.2.     

Mode transitions in vortex-induced vibrations of a flexible pipe near plane boundary

A pipe model with a mass ratio（mass/displaced mass） of 4.30 was tested to investigate the vortex-induced vibrations of submarine pipeline spans near the seabed.The pipe model was designed as a bending stiffness-dominated beam.The gap ratios（gap to diameter ratio） at the pipe ends were 4.0,6.0,and 8.0.The flow velocity was systematically varied in the 0-16.71 nondimensional velocity range based on the first natural frequency.The mode transition between the first and the second mode as the flow velocity increases was investigated.At various transition flow velocities,the research indicates that the peak frequencies with respect to displacement are not identical along the pipe,nor the frequencies associated with the peak of the amplitude spectra for the first four modes as well.The mode transition is associated with a continuous change in the amplitude,but there＇s a jump in frequency,and a gradual process along the pipe length.     

耙吸式挖泥船高压冲水装置的数值模拟及水力优化

耙吸式挖泥船可利用耙头上的高压冲水装置有效提高疏浚作业的工作效率,现有高压冲水装置管路的设计仍不完善,一些结构亟待优化。采用数值方法对某高压冲水装置进行三维建模、模拟计算和分析,发现耙头内的高压冲水管路中存在较多漩涡流,水力损失较大,导致耙头施工时达不到理想的出口总压,影响效率;针对这些问题,通过使用渐变管、圆倒角等方式改善管内流动。结果表明,优化后的耙头高压冲水管路阻力损失减少,射流水速更高,冲水总流量提高约3%,出口总压增大,破土能力提升,从而提高疏浚作业的效率。     

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。     

基于CFD仿真计算的襟翼舵水动力研究

襟翼舵作为一种可靠的、高升力的舵在最近几年内引起了广大设计工作者的重视影响,同时也有不少成熟的研究成果。对襟翼舵的研究主要集中在展弦比,主副舵面积比,转角比等方面,这些因素对襟翼舵的整体影响规律也已得到不少专家的解释。本文主要研究襟翼舵主副舵间间隙大小以及尺度效应对其水动力性能的影响,以普通NACA0020翼型为基本剖面建立不同间隙大小的襟翼舵模型,采用RANS方法计算得到了不同缝隙大小以及不同缩尺比下的襟翼舵升力阻力以及压力分布,并对周围涡结构以及流场进行分析,发现升力系数随着缝隙增大而减小,阻力系数先减小再增大的规律。同时随着襟翼舵尺度的增大,升力系数会随之增大,阻力系数会随之减小。文中以计算模型和实验数据进行对比,两者误差在5%以内,证明了计算结果的可靠性。     

基于 DES 方法的张力腿平台主体结构水动力特性研究

考虑张力腿平台立柱和浮箱之间的相互影响,通过分离涡模拟法（DES）对均匀流下张力腿平台主体三维水动力流特性进行了研究,讨论了张力腿平台阻力系数、升力系数及其频谱、压力系数和尾涡等特性。研究表明：阻力系数和升力系数时历曲线变化具有一定的周期性和“脉动性”;下游立柱受到上游立柱尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱阻力系数略大;下游立柱升力系数幅值较上游立柱升力系数幅值大,下游立柱泄涡具有明显的周期性特点;升力系数时历变化呈现紊乱,频谱图中谱峰个数越多且带宽越大。立柱表面压力系数呈现出“W”型且张力腿平台主体周围具有不同垂向流态形式,稳定脱落周期下通过压力系数最大值判断撞击点等特殊位置,压力系数最小值判断尾涡所附位置;尾涡具有高度各向相异性,不同来流方向下张力腿平台主体尾后出现不同尾涡结构和流形态。     

带自由液面有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟(DDES)技术和分段线性界面重构(PLIC)方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度"恢复"延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。     

旋转圆柱绕流的流场特性

在亚临界区Re=1.4×105条件下,基于大涡模拟（LES）方法对均匀来流作用下的旋转圆柱绕流进行了数值模拟。通过与非旋转时的实验和计算结果比较,验证了文中计算的准确性。在此基础上,对不同转速条件下（0≤α≤2,α为圆周线速度与自由来流速度的比值）的圆柱绕流进行了数值研究。结果表明,圆柱旋转可以有效地抑制其旋涡脱落,随着转速的增加,可大幅提高其升阻比,主要表现为阻力系数减小而升力系数线性增大。当α=2时,阻力系数和升力系数在经过短暂过渡期后达到稳定。     

近底管线绕流及涡激振动的二维有限元数值模拟

应用有限元方法通过求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程和管线振动方程,数值模拟了近底管线的绕流及漩涡脱落引起的管线振动,采用ALE方法解决因管线振动引起的动网格问题和流固耦合问题。数值模拟了雷诺数90相似文献