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。     

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.     

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。     

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。     

中等间距比条件下串列双圆柱流致振动数值模拟

在上下游圆柱最大振幅较单圆柱的都有较大提升,下游圆柱所受的阻力均值小于上游圆柱的阻力均值,而下游圆柱的升力均方根值在折合流速较小时(U_r6.1)比上游圆柱的小,在折合流速较大时(U_r6.1)比上游圆柱的大。发现了两种尾流模式,分别为单阻流体模式(SG模式)和剪切层重附着模式(AG模式)。     

基于大涡模拟的高架栈桥断面风载分析

应用大涡模拟分析波浪对某型高架栈桥断面风载的影响,并结合小波功率谱分析,发现随着波浪振幅的增加,栈桥断面的三分力系数受到的影响加大,而且升力系数和扭矩系数比阻力系数对波浪振幅变化更加敏感;3个系数的振幅平均值都随波浪振幅增加而减小。     

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。     

大长细比柔性立管涡激振动数值模拟

近年来,随着油气开发逐步向深海发展,立管的长细比可以达到1 000甚至更高.大长细比的立管的振动形态与短的刚性圆柱的振动具有较大的差异,这使得对大长细比立管涡激振动预测的需求较为迫切.文中基于切片理论,通过使用径向基函数法作为OpenFOAM中的动网格策略,模拟了长细比为1 000的柔性立管在横流向和顺流向的振动,其顺流向最大时均偏移量达8个立管直径.数值模拟重现了高阶主控模态及主控模态的频繁变换等大长细比柔性立管的涡激振动特性;文中还将所得结果与长细比为500,750的结果进行了比较,就长细比对立管涡激振动的影响进行了分析.     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

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。     

基于CFD的半潜式钻井服务支持平台拖航阻力数值分析

通过分离涡模拟法（detached eddy simulation,DES）对半潜式钻井服务支持平台拖航阻力进行了研究,重点对平台拖航阻力、阻力系数和平台表面附近流场分布等特性进行了研究。研究表明：流方向下平台各结构所受阻力各不相同,下浮体占据总阻力比最大（尤其是90°来流方向下）。阻力系数及升力系数时历曲线变化具有“脉动性”。通过平台表面附近流场分布可以分析涡形成及受力原因,逆方向流及涡之间相互作用使得阻力有所减小。     

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。     

电磁力控制翼型三维绕流场特性的数值研究

在弦长雷诺数Re_L=2.97×10~6下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下翼型绕流场特性进行了数值模拟,研究了电磁力作用控制翼型失速攻角时绕流场中三维流动特性及失速问题的规律和机理。结果表明:电磁力作用可有效改善翼型周围的流场结构,显著减小翼型绕流场三维特性,并使翼型表面流体动能增加,当电磁力作用足够大时,其表面涡量转变为正向涡量。同时,电磁力作用可增加翼型升力,减小阻力,显著减小升阻力脉动特性,提高翼型升阻比,还可以显著延缓翼型失速特性,增加失速攻角,提高工作性能。     

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。     

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。     

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.     

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.