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.     

基于切片法的立管双自由度涡激振动响应研究

基于切片法自研程序,建立流体域和立管结构双向耦合的准三维数值模型,研究不同长细比和流速下立管双自由度涡激振动特性。结果表明：虽然立管上各切片质心运动“8”字型轨迹形状不同,但是都限制在一定范围内。长细比和流速的增大使得立管振动模态增大,振动响应由低阶驻波向高阶行波转变,但在横流向出现特殊现象,立管底端为明显的驻波而立管中间部分为明显的行波。此外,与顺流向相比,横流向振幅在立管轴向分布不均匀,底端的振幅较大。长细比变化对立管主控频率的影响很小,但是流速变化对该频率的影响明显。     

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。     

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。     

基于模型试验的实尺度立管涡激振动响应预报方法研究

为了研究立管涡激振动模型试验与实尺度立管涡激振动响应之间的相互关系问题,文章从模型试验的相似理论出发,基于涡激振动预报方法的理论分析;通过对模型试验中按照相似理论换算得到的流速进行调整的方法,改变模型立管的涡激振动响应,并逼近实尺度立管的涡激振动响应.结果表明:通过调整试验流速,提高试验的雷诺数,可以使立管模型的涡激振动响应模态数、无量纲振幅RMS(A/D)响应与实尺寸立管很好地符合.针对不同的缩尺比模型,给出了立管模型试验流速与其模拟的真实流速之间的对应关系式.     

剪切流下海洋立管涡激振动的三维数值模拟

对1根长为9.68 m的三维海洋立管涡激振动现象进行流固耦合模拟,立管的长径比为482,来流为剪切流。通过在立管长度方向上施加一固定的顶部预紧力,来更好地控制立管变形。三维粘性、不可压缩流体场采用非稳态的N-S方程和k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法 System Coupling实现流-固耦合交界面的数据交换。模拟结果与均匀流模拟结果相似,反映了多模态的振动特性,说明这种方法有一定的可行性。立管脱落呈现多种涡结构模式,稳定后呈"2S"。立管出现大的非对称弯曲变形现象,介于1阶模态和2阶模态之间转换,最终锁定在2阶模态。     

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。     

细长海洋立管涡激振动预报模型

涡激振动预报对于深水环境中的细长海洋结构物的设计至关重要.近年来出现的若干经验模型基于圆柱体受追振荡实验数据.文中介绍了细长海洋结构物涡激振动预报工具的发展,进而提出了一种基于圆柱体受迫振荡实验数据的预报模型.与现有的类似模型相比较,该模型更加直接地利用了原始模型实验数据,并且将立管的有限元模态分析并入到响应预报当中,以计及立管物理参数的不均匀特性.利用近期立管模型在阶梯状分布流以及剪切流中的涡激振动响应实验测量数据,验证了该模型的有效性.该模型的计算结果表明,立管的模态振型、模态频率与涡激振动响应高度耦合,并且对于低质量比的情况尤为明显.文中还指出了类似的基于受迫振荡圆柱体实验数据的预报模型存在的缺陷.     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

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.     

钢悬链线的涡激振动分析

文章介绍了立管在不同流剖面下的涡激振动实验,然后给出了简支钢悬链线的静态方程和基于能量平衡原理的涡激振动频域预报理论.之后提出把钢悬链的参数转化为顶部张紧钻井隔水管的参数的思想.通过预报顶部张紧钻井隔水管的涡激振动响应,得到钢悬链线的涡激振动响应.文中还研究了不同的顶部预张力和不同流剖面对钢悬链线的涡激振动响应影响.结果表明立管的固有频率和模态数的关系足线性的,并且立管的均方根位移和激励的模态数不仅与流速的大小和变化范围有关,还与顶部预张力有关.     

剪切来流下柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

文章针对柔性立管螺旋列板抑制装置在剪切流场中的涡激振动响应特性进行了试验研究,试验过程中通过旋转臂架从而形成相对剪切来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法,可得到立管的位移响应等参数。试验中针对螺旋列板的螺距和鳍高的变化进行了分析,系统地研究了不同螺旋列板状态下立管的主导频率、主导模态、无量纲振幅比以及疲劳损伤等参数。研究结果表明：螺旋列板可以很好地抑制立管的涡激振动响应;与螺距相比,鳍高对立管涡激振动响应会带来更大的影响;剪切流场中立管螺距恒定为5.0D（D为立管外径）时,鳍高为0.15D时的立管具有最好的抑制效果。     

振荡来流下柔性立管涡激振动响应特性试验研究

在顶部浮体的带动下,悬链线立管的动力响应会诱发其周围产生相对来流,而这种振荡来流将激励立管悬垂段产生“间歇性”的涡激振动。文章在海洋工程水池中对不同最大约化速度URmax、KC数组合下的振荡来流作用下的柔性立管开展模型试验研究,利用光纤应变片测量模型的涡激振动响应。结合模态分析与小波变换对试验数据进行分析,讨论并总结了最大约化速度URmax以及KC数对涡激振动位移幅值响应特性的影响规律。文中进一步分析发现振荡来流下的涡激振动响应还存在“迟滞”及“高阶谐频”现象。     

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。     

缓波型柔性立管涡激响应数值模拟

缓波型柔性立管的涡激振动问题是当前海洋工程界的研究热点.本文基于Milan尾流振子模型,通过Or?caFlex软件及悬链线方程,考虑缓波型柔性立管的几何非线性及三维效应,基于等效原则将缓波型柔性立管转换为直立立管进行分析,同时探讨了不同浮子段覆盖率对缓波型柔性立管涡激振动特性的影响规律,给出了立管不同轴向位置处的运动轨迹,为揭示缓波型柔性立管涡激运动特征提供了借鉴.     

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。     

均匀流作用下双柔性异管径立管响应特性试验研究

本文进行了不同水动力外径双柔性立管的均匀流干涉试验研究.试验中双管布置形式分别为并列形式、串列形式和交错形式,其中并列形式及交错形式双管壁面间距为3D～5D,串列形式壁面间距为3D～8D,两立管对应雷诺数分别为8500和5400.试验采用布拉格分布光纤采集立管表面应变时历信息,进一步通过模态叠加法重构立管涡激振动位移响应.同时,本文分别对两立管横流向沿管长方向的位移RMS值和振动频率,以及横截面位移轨迹和顺流向位移最大值进行了分析研究.研究结果分析表明,并列形式两管发生干涉影响的范围与管径大小有关,管径越大干涉范围越大;交错形式下,处于尾流中的立管同时受到涡激振动和尾流诱导振动的影响;而串列形式某些管间距布置形式下,处于尾流中的立管主要受尾流诱导振动的影响.     

基于SST k-ω湍流模型的二维圆柱涡激振动数值仿真计算

随着海洋工程逐渐向深海发展,广泛使用的柔性立管因为高频振动很容易受到严重的损伤。因此对于这类细长柔性结构的涡激振动(VIV)研究是当今的一个热点,同时随着计算机的快速发展,CFD(计算流体力学)技术成为研究涡激振动问题不可或缺的一种方法。本文采用雷诺平均纳维尔-斯托克斯(RANS)方程,并结合SST k-ω湍流模型,研究低质量比弹性支撑刚性圆柱体的涡激振动问题。从振幅响应、频率响应、3个响应分支的水动力性能、尾涡模式等方面和Williamson相关实验作对比。结果表明,SST k-ω湍流模型能够有效准确地模拟圆柱绕流的涡激振动。本文丰富了海洋工程的理论研究,为柔性立管的实际应用提供了一定的理论指导。     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。     

海洋立管涡激振动的主动控制技术

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要原因,如何抑制海洋立管的涡激振动一直是海洋工程中的热点和难点问题.海洋立管主动控制技术能根据多变的环境条件实时调整控制策略和参数,具有更好的适应性.文章研究了通过施加端部激励对海洋立管涡激振动进行抑制的主动控制技术.基于尾流振子模型来模拟尾流漩涡与结构之间的相互作用,结合有限差分法和龙格-库塔法求解立管振动方程.轴向力激励对涡激振动存在显著干扰,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移;频率比远离共振频率时,立管振动呈宽频特性.