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。     

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.     

多因素下张力腿平台耦合动力响应特性研究

考虑立管、张力腿及平台本体的非线性耦合,建立六自由度的振动微分方程。推导了方程中的质量矩阵、耦合刚度矩阵、阻尼矩阵及波浪荷载的计算公式。采用微元法对立柱和浮筒进行离散,求得方程数值解。比较分析了四种工况下张力腿平台的耦合动力响应、张力腿及立管张力的变化,揭示了波浪周期、波高、浪向角、预张力、工作水深等多因素对张力腿平台运动响应的影响。     

不同质量比对刚性圆柱体涡激振动振幅的影响

涡激振动发电装置是一种能够捕获浅海区域低流速海流能的新型能源装置,为了在不同海况下均能高效地对能量进行转换,需要对振动参数进行探讨,因此本文对质量比在振动响应和能量方面进行了分析。结合尾流振子模型和结构振动模型,得到双自由度涡激振动耦合模型,将Stappenbelt实验设置输入该模型,模型计算结果与其实验结果吻合,验证了模型的正确性。通过对中低质量比、超低质量比和高质量比三种条件下的柱体涡激振动响应进行分析,结果表明：中低质量比条件下,振幅和频率锁定区间宽度随质量比增加而减小;超低质量比条件下,顺流向无量纲振幅接近1,无法忽略,双向最大振幅发生约化速度Ur=6附近;高质量比条件下,最大振幅所对应的约化速度随着质量比的增加而增加,顺流向第二次波峰消失,横向出现两次波峰。     

粗糙立管涡激振动响应特性数值模拟研究

海洋立管是连接浮式平台和海底井口的关键设备,涡激振动是其疲劳损伤的主要原因,海洋生物吸附等因素会影响立管表面的粗糙度,使涡激振动特性更加复杂.论文基于CFD(计算流体动力学)与CSD(计算结构动力学)的双向流-固耦合方法,引入粗糙壁面速度梯度修正模型,构建粗糙立管涡激振动数值计算程序,研究粗糙度、来流速度等参数对涡激振...     

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。     

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=7 800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。     

船舶艉部结构对尾轴振动特性影响研究

船舶大尺度效应造成船体变形大,使船舶轴系和船体之间相互耦合、相互影响问题十分突出。为此,建立了具有非线性油膜力作用的尾轴-油膜-艉部结构耦合系统动力学模型,推导了系统的动力学微分方程并对方程进行求解,分析了不同转速下尾轴的非线性动力学特征,总结了艉部结构系统的固有频率,参振质量,支承刚度,连接刚度对尾轴振动特性的影响。结果表明：考虑艉部结构的影响之后,尾轴-艉部结构耦合系统的振动特性发生了较大的改变,耦合程度受艉部结构固有频率影响较大,尾轴最大振幅随艉部结构参振质量,支承刚度的变化而发生改变。     

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。     

剪切流作用下立管涡激响应的研究

为研究剪切流作用下立管的涡激振动问题,文章建立了三维立管的涡激动力响应方程,顺流方向的力通过Morison方程求解;横向涡激力采用改进的尾流阵子模型求解,考虑了附加质量的变化;轴向力的计算考虑平台升沉运动的影响。采用有限单元法离散控制方程,离散后的方程采用Newmark-β法在时域求解。在此基础上,研究了剪切流作用下立管的多模态涡激振动响应,讨论了剪切参数对立管涡激动力响应的影响,并比较了均匀流和剪切流条件下立管不同的响应特征。结果表明,剪切参数对立管的涡激响应动力响应有很大的影响,剪切流条件下立管呈现的多模态响应极为复杂,与均匀来流条件下的振幅和频率响应特点明显不同。     

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。     

两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究

针对圆柱体在大长细比、多模态振动及高雷诺数情况下出现较大变形时的非线性效应,建立了双自由度耦合模型,并采用ANSYS/CFX软件对不同质量比的圆柱体两向涡激振动进行数值模拟,探讨了两种典型质量比圆柱体在不同约化速度下的位移响应、两向频率比等特征规律。研究表明,低质量比圆柱体具有更大的锁定区范围和更加剧烈的共振现象。同时,低质量比圆柱体在锁定区范围内呈现出更加复杂的双向耦合规律,而高质量比圆柱体振动规律则相对稳定。探讨了质量比对"拍"、"相位开关"等涡激振动现象特征参数的影响,结果表明,"拍"现象的出现与质量比无直接关系,而质量比的大小可能对"相位开关"现象是否出现具有决定性影响。     

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。     

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。     

海洋平台垂荡作用下立管的非线性涡激振动特性研究

立管是海洋工程中常用的一种典型细长体结构物，研究立管在海洋平台垂荡和内外流体共同作用下的非线性动力学特性具有重要的学术意义和应用价值。本文采用Hamilton原理和Galerkin方法建立了顶张力立管的二维非线性动力学模型，将平台垂荡运动模拟为随时间变化的顶端张力，研究海洋平台运动和立管非线性涡激振动的耦合位移响应。研究结果显示，增加顶张力可以改变结构的固有频率，在可变张力作用下，立管的位移响应在相邻模态之间可以相互转换。通过与已有实验数据进行对比，验证了本文分析方法和数值计算结果的合理性。本文研究结果可为海洋立管的非线性涡激振动分析提供理论参考。     

柔性管异形表面结构对其涡激振动影响的数值研究

涡激振动（VIV）是导致海洋立管疲劳破坏的主要诱因,因此,抑制振动是立管设计需关注的重要内容。本文通过运用双向流-固耦合数值计算方法,开展翼型管、纹理管与光滑管的涡激振动响应特性的对比研究,探讨扰流翼板与表面纹理等异形表面结构对涡激振动被动抑制的有效性。计算结果表明：异形表面结构能够有效降低柔性管体的振动响应,缩短锁振区间,并且影响尾流区泄涡发放模式,减小管体流体力系数,起到明显抑制管体涡激振动的作用,且在较高的速度工况下,这种抑制效果更加显著。该研究可为采用被动式振动抑制的翼型管和纹理管等异形结构的海洋立管设计提供一定的理论参考。     

基于流固耦合的U型管流致振动数值分析

利用ANSYS＋CFX双向耦合的方法对换热器U型管的流致振动问题进行仿真分析。分别建立大涡模拟的流体控制方程和结构振动的控制方程,得到掠过U型管流体的升力系数、阻力系数曲线以及U型管振动加速度级谱线。分析表明,结构振动的主要频率成分在流体升力和阻力变化频率和结构本身的固有频率附近,可为工程实践提供参考,具有理论和实践价值。     

基于功率方程的圆柱体涡激振动研究

针对预测结构涡激振动响应的半经验性模型,根据动力学普遍方程(达朗贝尔-拉格朗日原理)建立了自由振动圆柱的涡激振动功率方程模型。该模型的建立过程不需要引入经验性参数,是研究流固耦合问题的一般方法,适用性强,易于拓展。为了评估自由振动圆柱功率方程的可靠性,利用计算流体力学(CFD)数值模拟提供的流场信息对功率方程进行求解并与实验结果进行对比。结果表明该模型能够有效地预报圆柱的涡激振动响应。     

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"。