深吃水半潜生产平台涡激运动特性研究及其参数化分析

本文采用改进的延迟分离涡方法(IDDES)数值模拟深吃水半潜平台的涡激运动,研究深吃水半潜平台在0°、22.5°和45°流向角下的纵向、横向和艏摇运动响应,以及吃水和立柱倒角对半潜平台涡激运动的影响。对比实验数据发现,数值结果与实验数据基本吻合。从计算结果可知,横向运动出现频率锁定现象,但不同流向角下的锁定区域不同,22.5°和45°流向角下的锁定区域发生在6.0V_r8.0,而0°流向角下的锁定区域则相对滞后;艏摇运动响应特性与横向不同,未出现锁定现象,在3.0V_r13.0区间内,艏摇运动响应幅值随V_r的增加而增加。当立柱只有一个倒角时,倒角半径尺寸对半潜平台横向运动响应和艏摇运动响应的影响很小,而当立柱四边都有倒角时,半潜平台的横向运动响应和艏摇运动响应均随倒角半径的增加而变大。半潜平台的横向运动响应和艏摇运动响应均随着吃水增加而增大,当吃水较小(H/D≤0.9)时,半潜平台的横向运动无明显频率锁定现象。     

系泊刚度对半潜式平台涡激运动响应的影响研究（英文）

以四柱半潜式平台为研究对象,基于模型试验方法分析不同系泊刚度下的平台涡激运动（VIM）特征。由于涡激运动对系泊系统极限张力和疲劳寿命的重要贡献,因此重点研究系泊刚度对平台横向涡激响应的影响。结果显示：系泊系统刚度的变化对横向涡激运动的最大响应幅值影响较小,运动响应曲线随无量纲折合速度的分布趋势基本一致;但相同流速下平台具有完全不同的涡激运动响应特性,这表明若当前流速引起了平台大幅度的涡激运动,可通过调节系泊线预张力来改变系泊系统的刚度,使其固有频率避开平台旋涡脱落的频率范围,从而抑制平台的横向涡激运动;当平台受到来自不同方向的水流作用时,需采用不同的刚度调整策略。此外,文中还详细分析了平台在XY平面上的涡激运动轨迹、涡激锁定现象如共振和频率锁定、不同系泊刚度下涡激响应的谱。相关结论对实际平台作业具有重要的参考价值,为处于涡激共振状态下的平台运动抑制提供了一种新的思路。     

两种典型立柱截面浮式平台涡激运动耦合特征试验研究

本文基于模型试验,研究了立柱截面形状和来流方向对浮式平台涡激运动特征的影响,并着重分析了涡激运动的不同阶段艏摇运动与横荡、纵荡运动的耦合特征.结果表明:立柱截面形状和来流方向会对浮式平台的涡激运动响应和耦合特征产生明显影响;在大多数工况下,圆柱平台的横荡和纵荡运动幅值均大于方柱平台,最高可达6.1倍.但是在45°流向下,圆柱和方柱的横荡运动幅值比较接近,当约化速度超过12后,方柱平台的横荡运动幅值甚至超过了圆柱平台;相同工况下,方柱平台的艏摇运动响应幅值远大于圆柱平台,并且在45°流向下方柱平台艏摇运动中观察到了"涡激共振"现象;不同流向下,方柱和圆柱平台涡激运动频率随约化速度变化规律比较类似,大致可分为三个阶段,但在不同阶段涡激运动耦合特征差别较大,并且在45°流向下方柱平台艏摇运动中观察到了特殊的"主频跳动"现象.     

新型FDPSO涡激运动试验研究

以一座工作水深为1500m的新型深吃水变截面多立柱式FDPSO为研究对象,对其在300m等效截断水深锚泊系统系泊时的涡激运动特性开展了模型试验研究.模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验中进行,缩尺比取为1:80.本文重点对不同工况下平台的横向涡激运动、响应谱和运动轨迹进行了系统性研究.研究结果表明:平台的横向运动频率未出现典型"锁定"现象,而是一直保持在接近固有横荡频率的范围内;同一流向下,平台纵向运动的平衡位置与最大振幅均随着折合速度的增加而增加.与其他经典平台相比,本文新型FDPSO最大横荡振幅值随折合速度的变化呈现不同的趋势.随着折合速度的增加,横荡运动的最大振幅与标称振幅之间的差值增大.     

张力腿平台涡激运动特性的试验研究

文章基于物理模型试验,对张力腿平台的涡激运动问题进行了探讨,研究了横向和顺流向涡激运动频率及响应特性。试验结果表明:在锁定区,涡激运动频率与平台在海流中的位置有关。当结构沿流向对称时,顺流向振荡频率是横向振荡频率的两倍;当结构沿流向不对称时,顺流向振荡频率与横向振荡频率相同。试验结果还表明,流向角是影响平台运动轨迹的关键因素,当流向角为0°和45°时,平台运动轨迹呈不规则"8"字形;15°和30°时,运动轨迹为"香蕉形"。     

方形四立柱涡激运动及水动力性能分析

平台涡激运动是近年来海洋工程领域研究的热点和难点。本文将涡激运动系统简化为两自由度质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解N-S方程,将求解瞬态动力响应的四阶Runge-Kutta代码嵌入UDF程序中并采用动网格技术实现流场更新,对低质量比弹性支撑方形四立柱涡激运动进行数值研究。研究表明:涡激运动流向最大位移为0.31D,横向最大位移为0.61D;横向运动频率随折合速度的增加而增大,没有出现频率锁定现象;不同约化速度下运动轨迹图较为紊乱;尾涡模式总体呈现出2P模式。     

带螺旋侧板的Spar平台涡激运动数值模拟

[目的]长时间持续的涡激运动可能会引起Spar平台锚泊系统疲劳甚至是平台结构损坏,因此,必须充分考虑到涡激运动的不利影响。[方法]利用自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU以及动网格方法,对Spar平台的涡激运动流场特性进行数值模拟。采用基于剪切输运应力方程的延时分离涡(SST-DDES)湍流模式,对带螺旋侧板的Spar平台的三维精细尾涡结构进行模拟,研究其在不同折合速度下的纵向、横向、艏摇运动响应以及运动轨迹。采用水平线性弹簧系统替代模拟平台系泊系统,并在研究中考虑平台不同自由度间的耦合作用对平台涡激运动的影响,然后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,分析带螺旋侧板的Spar平台横向和流向运动时间历程、频谱特性、锁定现象等,以揭示其涡激运动的内在机理。[结果]结果显示,加装螺旋侧板可有效减小Spar平台涡激运动响应幅值;采用自主开发的CFD求解器计算模拟海洋平台涡激运动问题具有良好的精度和可靠性。[结论]带螺旋侧板Spar平台涡激运动的数值模拟分析对Spar平台实际设计工作具有重要意义。     

深水张力腿平台非线性涡激特性及水动力性能研究

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤,危害其安全稳定性。该文引入雷诺平均法求解NS方程结合DES湍流模型对不同流速下深水张力腿平台三维涡激运动及流场特性进行了数值研究。采用GAMBIT软件建立计算网格,将求解动力学控制方程的代码嵌入UDF求解器中,采用动网格技术实现流场更新并求得作用于平台立柱和浮箱上的瞬时升力和拖曳力。采用最大值统计法和均方根统计法进行数据统计。研究发现:张力腿平台涡激运动流向振幅的大小随着约化速度的增大而增大,但在小范围内波动;横向振幅曲线最大值出现在0°来流、约化速度U~*=8.0处,大小为0.38D;三种来流工况流向平衡位置随无因次速度的增大而增大,但增长速度有所区别,22.5°和45°下流向平衡位置的增加速度要明显大于0°来流;22.5°来流升力系数谱能量较为分散,立柱及浮箱之间的干扰具有强非线性效应;最后对张力腿平台表面压力系数分布及涡量等值面特性进行了分析和探讨。     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现：在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显“锁定”现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在Ur=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的“8”字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

不同流向下低质量比方形四立柱涡激运动特性研究

采用有限体积法对方形四立柱涡激运动进行了数值模拟。方形四立柱涡激运动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST k-ω湍流模型对低质量比弹性支撑的方形四立柱涡激运动进行了研究。对不同来流方向和折合速度下横向振幅、流向振幅、流向平衡位置、升力系数的主频变化趋势进行了分析,探讨了其运动轨迹和尾涡脱落模。     

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。     

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。     

深吃水圆筒型浮式核能平台涡激运动数值模拟

深吃水圆筒型浮式核能平台是一种新型多功能高效平台,可有效解决南海岛礁开发过程中的能源供给问题。在一定来流速度下,尾流区交替泄涡进而诱导平台发生涡激运动（vortex induced motions, VIM）,这将严重加速系泊和立管系统疲劳损害,同时对平台内部核反应堆运行产生不利影响。基于改进的延迟分离涡方法（improved delayed detached eddy simulation, IDDES）对平台在不同折合速度下的横荡、纵荡、艏摇运动响应进行数值模拟,并从水平面内质心运动轨迹、运动频率、三维流场特性等角度分析涡激运动关键特征。研究结果表明：当折合速度5.45 相似文献   

张力腿平台在湍流边界层分离下的水动力特性研究

在亚临界区雷诺数Re=1.4×10~5(特征长度为立柱直径D)下,采用改进的延迟脱体涡模型(IDDES)和湍流分离方法,对张力腿平台在湍流边界层分离下的升(阻)力特性进行了数值模拟,研究了0°、15°、30°和45°四种流向角下张力腿平台主体以及各立柱上的水动力特性。研究结果表明:0°流向角下,平台主体所受的平均阻力和脉动升力相对于15°、30°和45°时更大;不同流向角下,受上游立柱泄涡的影响,下游立柱的平均阻力系数始终小于上游前端立柱的平均阻力系数,但其脉动升力系数反而更大;随着流向角的增加,上下游立柱脉动升力的差异逐渐减小;仅在0°流向角下,各立柱上的升力系数功率谱存在单个能量峰值。此外,由涡量场分析可知,不同流向角下,立柱尾部的脱涡形式区别显著;浮箱与立柱连接处的三维效应对立柱尾部的大尺度漩涡脱落产生了抑制作用。     

倒角半径对方柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对具有不同倒角半径方柱涡激振动开展了数值研究。方柱涡激振动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST k??湍流模型对低质量比弹性支撑的方柱涡激振动进行了模拟。研究发现:方柱涡激振动最大振幅曲线随着折合速度的增大先增大后减小,与圆柱涡激运动初始激励分支和下端分支相类似,但没有发现幅值跳跃现象。流向振幅最大值出现在20%倒角且折合速度5.0时,大小为0.28D,而横向振幅在30%倒角工况中折合速度为6.0时达到最大值0.47D。方柱涡激振动没有发生类似圆柱一样的频率锁定现象,但其振幅呈现明显的"差拍"规律,差拍区间随倒角半径大小而异,最后对不同倒角半径下方柱运动轨迹进行了讨论分析。     

两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟

应用离散涡数值方法(Discrete Vortex Method,DVM)对弹性支承的二维圆柱绕流的涡激振动(VIV)问题进行数值模拟,研究单自由度横向运动系统、两自由度系统横向和流向耦合运动这两种模型的计算结果,得到了不同质量比、不同折合速度下的尾涡形状、受力系数和圆柱响应曲线,并分别提取了单自由度和两自由度两种模型所得到的横向振幅进行对比.总结出受质量比和自由度数影响的圆柱响应的变化规律,证实了锁定lock-in现象的发生过程.通过与实验结果的对比,验证了计算结果较为合理和可靠,说明离散涡方法是研究涡激振动问题的有效手段,并且它能够适应高雷诺数下的计算,并且认为圆柱的流向运动对涡激振动起着促进作用,在数值模拟中是应当予以重视的.计算过程采用FORTRAN语言编程实现.     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究（英文）

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现:在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显"锁定"现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在U_r=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的"8"字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

新型深水多立柱 FDPSO 涡激运动研究进展

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤,危害其安全、稳定性。平台由于具有较小的纵横比、显著的刚性特征及特有的系泊系统,其涡激运动显示出与立管等细长体涡激振动截然不同的运动特征。文中介绍了FDPSO常采用的特殊升沉补偿装置、多立柱绕流特性及多立柱海洋平台涡激运动的研究进展。鉴于深水多立柱FDPSO涡激运动及稳定性研究是非常复杂的流固耦合问题,文中给出了研究其涡激运动的基本思路和步骤,介绍新型多立柱FDPSO涡激运动的研究方法及现状,为其涡激运动抑制及抑制装置研制提供理论支撑。     

低长径比浮式圆柱涡激运动实验研究

为研究低长径比浮式圆柱涡激运动响应,对其进行了水槽模型实验研究。测试了三种长径比(L/D=2.5、2.0、1.5)圆柱在不同来流速度下的运动响应及顺流向、横流向动水压力,从响应幅值、涡泄频率、受力分析等多个角度出发,分析其涡激运动的关键特征。研究表明:涡激运动响应幅值随长径比的减小呈降低趋势,这种趋势在锁定阶段更加明显;涡激运动锁定区前后阶段,涡泄频率与固有频率比值随约化速度呈线性增加,锁定区前St≈0.18,锁定区后St数小于0.18,且随长径比的减小而减小。     

两种典型立柱截面涡激运动的分析研究

文章引入雷诺平均法求解NS方程结合SST k-ω湍流模型对两种典型立柱截面限制流向和不限制流向的涡激运动进行了数值模拟和实验对比。采用GAMBIT软件分区建立计算网格,立柱和流场的流固耦合通过计算外部流场作用于柱体的瞬时升力和拖曳力,将求解运动微分方程的四阶Runge-Kutta代码嵌入UDF求解器中,并运用动网格技术实现流场更新。研究发现,在约化速度从2到15范围内限制流向及不限制流向下圆柱横向横幅皆约为方柱的2.5倍,圆柱振幅曲线在限制流向和非限制流向均出现了跳跃现象,而方柱振幅在限制及不限制流向下皆表现为连续。限制流向下圆柱进入频率锁定区域比不限制流向下略快,而脱离锁定区域时约化速度基本相同。不限制流向下圆柱和方柱流向平衡点位移随约化速度线性增大,流向最大幅值均为0.15D左右,但振幅走势完全不同。最后对“相位开关”、“反相”、涡脱结构形式等进行了分析和讨论。