基于IVCBC涡方法和动刚度矩阵的 深海立管的三维计算模型

文章针对深海立管长细比非常大的结构特征,视立管为质量集中的多自由度索模型系统。通过有限体积法将该模型系统离散为多个有限体单元,首次提出基于应变能计算立管动态刚度矩阵的算法,并采用IVCBC涡方法计算有限体的外载荷,构建了一种三维数值研究深海立管涡激振动的新方法。应用该数值计算方法探索了立管耦合前后的振型、尾流模型、流体力以及泄涡频率的特征。发现了立管涡激振动的涡泄频率不再满足Strouhal数的规律和多频"锁定"现象导致立管出现多种高阶模态振动共存的特征,该研究为立管的设计制造提供了重要的指导意义。     

阶梯来流下流速对细长柔性立管涡激振动的参数分析

涡激振动是深海立管结构设计的关键,基于开源Open FOAM平台自主开发出细长柔性立管涡激振动流固耦合的求解器viv-FOAM-SJTU.以标准算例为基础,研究在阶梯状来流作用下,不同来流流速对细长柔性立管涡激振动的影响.数值模拟的立管长细比L/D=469,质量比为3.0,立管的下端45%的长度被置于均匀来流中,剩余部分被置于静水中.考察的均匀来流的有3种,分别为U=0.2、0.4、0.6 m/s,其中流速为0.6 m/s的情况与Francisco的标准实验一致.数值计算结构显示流速的变化会导致立管的泻涡频率发生变化,进而影响立管的振动频率,流速越高立管振动模态也越高.     

基于HHT方法的柔性立管涡激振动特性分析研究

本文针对试验中的柔性立管涡激振动响应特性问题,使用HHT方法进行分析。首先,将试验中获得的应变时历转化为位移时历,并进行EMD分解,分析确认分解结果的正确性。然后,根据分解结果,统计分析立管涡激振动模态数与流速的关系。之后,使用HHT方法分析立管涡激振动的频率响应特性,获得确认立管振动阶数的方法,在试验中发现"倍频"现象,并总结"倍频"现象分布的流速区间。最终,通过观察立管振动位移的时空分布,获得立管振动的阶数,发现了振型的不对称特性,并分析其导致模态混淆的原因,同时观察到立管振动模态的激励发展过程,并最终总结了不同流速下立管响应模态阶数及对应频率。     

深水立管涡激振动非线性响应及疲劳分析

对于深水立管,研究其在均匀流作用下,考虑流固耦合时的涡激非线性动力响应及疲劳损伤分析。采用有限元方法,建立立管模型。计算均匀流产生的升力时,考虑流体速度与立管之间的相对速度。利用Newmark-β法对立管进行时域内的涡激响应分析,同时通过幅值谱对立管进行频域内的分析,得到涡激振动的主要模态。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响分析

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明：立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明:立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

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。     

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"。     

立管横流-顺流双向涡激振动数值预报方法

海洋立管涡激振动属于典型的流固耦合问题,涡激振动在横流及顺流方向上会同时发生并存在耦合效应。在以往的相关研究中,常忽略顺流向振动或将横流及顺流向振动响应间相互作用进行弱化。本文以顶张式立管为研究对象,基于圆柱体双自由度受迫振动试验数据,使用有限元方法和能量平衡方程建立涡激振动频域预报模型。该数值模型能够同时得到立管在横流及顺流方向涡激振动响应特性。通过与均匀流、阶梯流和剪切流3种不同类型来流工况下顶张式立管自激振动实验数据进行对比,验证了数值模型的有效性。该预报方法可为深入理解海洋立管涡激振动问题提供一定的参考。     

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=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。