轴向板条对海洋立管涡激振动抑振的数值研究

涡激振动是一种在海洋工程领域普遍存在的流固耦合物理现象,易导致海洋立管等结构物发生疲劳损伤或失稳。本文为抑制涡激振动而提出一种附加轴向板条的方案,采用非定常流体数值计算方法求解分析不同分布形式下的轴向板条对海洋立管涡激振动特性的影响。首先定义轴向板条的分布形式;采用Newmark-β法求解立管双自由度振动方程并编写UDF,计算采用k-ω/SST湍流模型,并结合动网格技术模拟立管的振动过程。研究结果表明,轴向板条对海洋立管具有较好的抑振效果;当轴向板条数目n=20时,流向振动幅度减小78.57%,横向振动幅度减小58.10%。本文研究结果可为海洋结构物涡激振动的抑振提供参考。     

弹性支撑低质量比圆柱涡激振动数值模拟

近年来,随着深海石油工业的发展,立管的涡激振动现象越来越受学者们关注.使用RANS方程求解器,并结合SST κ-ω湍流模型,对横向和流向自然频率比为1的低质量比弹性支撑圆柱体的两自由度运动进行了数值模拟,计算雷诺数范围为5 300至32 000.采用四阶Runge-Kutta方法求解柱体的振动方程.并结合近期物理实验结果对升力系数、阻力系数、位移和尾涡模式进行了详细比较和讨论.较好地再现了试验观察到的锁定、迟滞、差拍等现象.     

两向自由度低质量比圆柱体涡激振动的数值计算

使用RANS方程求解器结合SST κ-ω湍流模型对低质量比弹性支撑圆柱体在流向和横向(两向)的运动进行了数值计算,着重研究了限制流向运动与否对圆柱体横向振幅的影响.通过对不同质量比圆柱体在较大折合速度范围内的计算,得出了当质量比低于m*cri=3.5时,两向自由度的圆柱体比限制流向运动的圆柱体能产生更大的横向振幅.数值计算结果与最近物理实验结果进行了详细的比较和讨论.     

拖缆涡激振动计算及分析

细小结构的涡激振动自从Von．Karman提出Karman涡激之后就引起了人们的重视。文中采用计算流体力学和有限元相结合的方法计算拖缆结构模型在水下工作时,由流体引起的对拖缆的涡激振动作用力,从而计算拖缆的涡激振动响应。     

附属分离盘抑制圆柱涡激振动的数值模拟

基于动网格技术,编写UDF程序计算附属不同长度分离盘的圆柱双自由度涡激振动,并借助FLUENT软件模拟计算其周围流场。通过模拟计算不同长度附属分离盘的圆柱涡激振动,系统地对比分析其所受升阻力系数、振动响应、尾流涡形态、运动轨迹和频率特征等方面内容,并总结其一般规律。分析发现,添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率,有助于避开“锁定”区域,降低涡激振动的响应,同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。该数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定了基础。降低,当约化速度Ur=5.5附近,分离盘长度越长,升阻力系数与振动响应越小。（2）添加附属分离盘后,裸圆柱所对应的双排尾流涡将变为单排尾流涡;随着分离盘长度增大,涡泄的位置往后推移,与此同时,分离盘的两侧逐渐出现一组次漩涡（分离盘上产生的漩涡）;分离盘长度L=0.5D时,因其未能完全阻隔上下两侧漩涡的相互作用,并将一侧漩涡切分为二,与另一侧漩涡在尾流形成2P形态的涡。（3）附属分离盘长度的增加使得圆柱振动范围不断缩小,但会造成多频的振动特征,而且还有效地改变来流向响应与横向响应的相位角。（4）添加附属分离盘后,一方面圆柱阻力的主频率明显降低,而且主频率所对应的功率谱密度也明显降低,说明分离盘能降低来流向的振动频率与振动强度,但会造成附属分离盘的圆柱阻力表现为多频、宽频的振动特征;另一方面添加附属分离盘的圆柱升力频率明显降低,但同样会造成多频和宽频的振动特征。总的来说,添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率,有助于避开“锁定”区域,降低涡激振动的响应,同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。本文的数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定基础。     

旋转翼对海洋立管涡激振动抑振的数值研究

为抑制海洋立管的涡激振动,本文提出一种安装旋转翼的方案.采用非定常数值计算方法求解分析常规海洋立管和安装有旋转翼海洋立管的涡激振动特性.对旋转翼的相关参数进行定义;建立立管单自由度振动模型,并采用Newmark-β法数值求解振动方程;编写CFD数值计算的UDF,并结合动网格技术模拟求解立管的涡激振动过程.结果表明:随着旋转翼旋转角速度的增加,立管的振幅比逐渐减小,最后基本不变,抑制振动效果十分明显;当旋转角速度ω=3.0 rad/s时,旋转翼的控制效果最优,振幅比从0.98下降到0.008,振幅比降低99.2％;旋转翼的旋转运动会破坏海洋立管脱落的尾流漩涡,从而破坏海洋立管的周期性振动.     

细长海洋结构物涡激振动研究综述

随着世界范围内深海石油开采的需要,近年来关于海洋结构物涡激振动的研究越来越受到重视.虽然此问题在数值模拟和实验方面都已取得了一定的进展,但是还有许多问题尚待解决.同时,新型海洋结构物的引入给涡激振动的预报方法和抑振手段提出了新的挑战.因此,细长海洋结构物的涡激振动仍将是未来几年里备受关注的研究课题.本文在介绍有关涡激振动基本概念和理论背景的基础上,总结了近年来关于以深水立管为代表的海洋结构物涡激振动的研究与进展,包括对现有涡激振动分析工具的分类与评估;对柱体及海洋结构物涡激振动的实验研究;对深水立管与涡激振动相关的疲劳评估准则的研究;海洋结构物的横向、流向及轴向涡激振动的耦合作用研究;关于海洋结构物涡激振动的抑振措施和设备的理论及实验研究.本文着重介绍了计算流体力学方法在海洋结构物涡激振动研究中的应用和进展.最后,对海洋结构物涡激振动相关的研究热点的现状进行了总结并对今后工作提出了展望.     

柔性拖缆涡激振动响应特性数值模拟

为分析水下拖缆在一定流速下的振动响应,使用ANSYS Workbench平台并基于双向流固耦合计算方法构建三维水下拖缆涡激振动的数值仿真框架,并对1 kn均匀流速下的拖缆涡激振动响应进行数值模拟分析。仿真得到了拖曳力、升力,振幅以及位移轨迹变化结果,为进一步研究拖缆振动响应对水下探测系统的影响提供了一定研究基础。     

顶张力立管涡激振动抑振装置性能比较

为降低甚至消除漩涡脱落引起的顶张力立管振动响应从而提高其疲劳寿命,设计了五种型式的涡激振动抑振装置,并在中国海洋大学物理海洋实验室对装有抑振装置的模型立管进行了实验研究.得到了模型立管在几种不同流速下顺流向和横向涡激振动应变时程曲线,同时为了对比分析也测量了没有安装抑振装置的裸管的响应曲线.对比分析了三种外流流速下抑振装置对立管涡激振动响应的影响,结果表明各种抑振装置对立管顺流向和横向涡激振动幅值和频率都有不同程度的降低,但其影响和有效性各不相同.     

单双圆柱涡激振动数值模拟研究

基于CFD方法,对质量比为7的单圆柱和并列双圆柱的涡激振动进行数值模拟研究,对单圆柱涡激振动的研究表明:其锁定区为4.8U_R7.6,在锁定区内旋涡发放频率被结构的固有频率锁定,位移与升力的相位差为零,圆柱的无量纲振幅急剧增大。在锁定区边缘,由于涡脱频率不能完全被结构的固有频率锁定,出现"拍振"现象。对并列双圆柱涡激振动的研究表明:流场充分发展达到稳定的时间随间距比的增大而增加,在3.0≤T~*≤4.0时,两圆柱的振动反相同步,在4.0T~*≤5.0时,两圆柱的振动不同步,T~*≈4为两圆柱振动是否同步的临界间距比。     

基于一种固体区域迭代算法的圆柱涡激振动数值计算

利用Fluent平台的用户自定义程序（UDF）以及动网格模型,实现了圆柱运动方程的一种迭代求解算法,分别对层流、湍流状态下,弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行了数值模拟,探讨了不同阻尼比对涡激响应的影响。结果表明：采用该迭代求解算法对弹性支承圆柱涡激振动的预测结果较为合理;随着阻尼比的逐渐增加,初始支振幅、升阻力系数时程曲线将由多频率拍振,最终变为单一频率主导的振动,且涡激振幅逐渐减小;除了质量-阻尼比联合参数m*ζ外,阻尼比ζ本身也应作为一个重要的涡激影响参数单独进行考量。     

海底多段悬跨管道涡激振动特性分析

深海海底多跨管道相比于单跨,其涡激振动行为却更为复杂。文章考虑了两端跨肩和中间支撑处的管—土作用边界条件,提出了多跨管道涡激振动预报模型,标定了模型参数,并重点分析了跨肩边界条件、中间支撑条件和悬跨长度对管道涡激振动特性的影响。结果表明:较大的两端边界处扭转弹簧弹性系数、较大的中间支撑处扭转和拉伸弹簧弹性系数和较短的悬跨长度,会限制管道结构高阶模态的激发,同时还发现了振动能量会在相邻管跨之间传递的现象。     

潜艇流场数值模拟及不确定度分析

为了分析计算流体力学预测结果的可信度问题,采用雷诺平均N-S方程,结合SSTκ-ω湍流模型,对验证研究用的美国DARPA潜艇模型SUBOFF光体湍流场进行数值计算,预报了艇体压力系数,计算流体力学预报值与实验基准数据有较好地吻合,并对雷诺平均N-S方程法进行了验证与确认,不确定度为1.52%.本文相关计算网格数20万左右,单机运行时间大约在2 h后得到收敛值,充分显示了计算流体力学方法在潜艇初步设计中预测水动力性能的高效性、可用性与可信性.     

圆柱体高速入水数值模拟研究

为了获得圆柱体高速入水过程的演化规律,采用计算流体力学方法对其进行仿真模拟。应用VOF模型和重叠网格技术对圆柱体入水过程的运动情况进行计算,利用Schnerr-Sauer空化模型对入水空化现象进行模拟。仿真获得圆柱体入水过程的空泡演化过程、压力变化和速度衰减曲线。结果表明:圆柱体高速入水过程中,速度先急剧减小然后逐步平稳降低,空泡开始形成,圆柱头部边角处出现空化现象;在撞水时圆柱头部压力急剧增大,入水后压力迅速减小;入水过程与文献结果变化趋势一致,验证了模型的可靠性。     

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。     

某平台机舱进排风口气流组织的CFD模拟

某自升式平台的机舱进、排风口位置比较接近,机舱排出的热气受大气风影响可能返回进风口,进而提高进风温度,成为一个设计隐患。文章应用CFD技术,通过模拟一定的大气环境条件下进排风口处的气流组织,找出最不利工况,并提出切实可行的改进建议。