稳定流作用下海底悬跨管线涡激振动研究

讨论了目前用于海底悬跨管线涡激振动预报的主要数值模型,针对海底管线悬跨段涡激振动问题编制了有限元分析程序,程序采用梁单元模拟管跨结构,动力响应计算方法采用VIVANA模型,模型控制方程采用Newton-Raphson迭代算法求解。采用Larsen,Koushan等人(2002)和Larsen,Baarholm等人(2004)给出的两组不同的用于确定升力曲线的参数曲线进行计算,将计算结果与Tsahalis(1984,1987)的模型实验结果进行了比较。结果表明本文的涡激振动模型能够预报间隙比e/D=∞时海底悬跨管线的涡激振动响应;采用Larsen,Koushan等人(2002)参数曲线得到的计算结果与间隙比e/D=∞时的实验结果符合较好,Larsen,Koushan等人(2002)参数曲线较Larsen,Baarholm等人(2004)参数曲线更适合于海底悬跨管线的涡激振动预报。     

近底管线绕流及涡激振动的二维有限元数值模拟

应用有限元方法通过求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程和管线振动方程,数值模拟了近底管线的绕流及漩涡脱落引起的管线振动,采用ALE方法解决因管线振动引起的动网格问题和流固耦合问题。数值模拟了雷诺数90相似文献   

海底管道悬跨段的近壁圆柱绕流分析

海底管道靠近海床表面处受海流冲刷,管道与海床表面产生一定间隙,该间隙与管道直径的比值定义为间隙比。通过数值模拟和物理模型试验,研究间隙比对管道绕流的水动力特性的影响。物理模型试验中,六分力天平测得管道的阻力和升力,数值模拟研究管道尾流流态和旋涡发放频率。结果表明:间隙比低于某临界值时,海床的存在阻碍了剪切层与层外流动间的相互作用,抑制层内涡量的传递,下游旋涡得不到充分发展,发放频率有所降低;海床壁面加剧管道两侧压力分布不均匀,压力差增加,因而管道阻力和升力增大;间隙比高于某临界值时,海床的抑制作用逐渐削弱,旋涡脱落趋于规则,海床未对绕流产生较大影响,管道受力随之趋于稳定。该研究可为海流冲刷引起的海底管道悬跨现象的安全设计提供理论指导。     

海底子母管线在规则波作用下的数值研究

采用三步有限元法离散N-S方程,建立了数值波浪水槽模型。数值研究了规则波作用下海底子母管结构的水动力特性。对海底子母管线所受波浪力的数值结果与物模实验结果进行比较。基于该数值模型,还考察了不同的子母管间相对缝隙G/D(0.1,0.25,0.5,0.75)对海底子母管线水动力特性的影响。分析得到了不同G/D下海底子母管线的涡脱落特性以及管线水动力系数随G/D的变化规律。结果表明,数值结果和实验结果吻合较好,该数值波浪水槽模型可用来计算波浪作用在海底子母管线上的水动力。关于不同G/D,得到了2种不同的涡脱落模式,在G/D较小(0.1,0.25)时,为"反相同步脱落"模式,在G/D较大(0.5,0.75)时,为"同相同步脱落"模式。     

采用ANSYS 5.7的海底管线起吊过程非线性有限元静力分析

海底管线安装过程中经常采用对接起吊法,在这一过程中管线应力状态较复杂,管线的变形属于大位移几何非线性变形,同时还要考虑管线的双层结构.本文采用有限元分析软件ANSYS5.7模拟管线的起吊过程,采用ANSYS5.7提供的点点接触单元(Contact 52),浸没管单元(Pipe59),直管单元(Pipe16)对管线起吊过程进行接触非线性和几何非线性有限元分析,得到了较为满意和直观的结果.计算结果可以给出指定起吊高度情况下的管线内管、外管的应力分布以及管线和海底泥面接触点的位置,进而可以校核起吊过程中管线内、外管的强度和稳定性是否满足要求.为海底管线起吊对接计算提供了一种新的思路和方法.     

绕海底管线悬空段肩部的三维湍流结构的数值研究

用三维有限元方法模拟了恒定来流绕悬空的海底管线与海床相交处,即管线悬空段肩部的三维流动情况.基于管线直径和来流流速的Re数为5×105.应用Smagrinsky亚格子模型来封闭湍流方程.通过对数值研究结果的可视化处理,由涡量幅值的三维等值面可见,绕悬空段肩部在管线上游形成了一条涡管,它的一端绕过半埋于海床的管线段的顶部,另一端延伸至悬空管线上游的海床上;而由对称张量S2+Ω2(S和Ω的分别为速度梯度张量的对称和反对称分量)的特征值定义的涡核可进一步显示三维流动结构的细节.本文的研究为利用数值模型进一步研究海底管线周围局部冲刷沿管线轴向发展打下了初步的基础.     

潜艇近海底与近水面绕流数值模拟研究

采用求解RANS方程的方法,结合RNG k-ε湍流模型,对于某潜艇模型近海底和近水面绕流进行了数值模拟.计算了不同海底深度下潜艇模型的阻力、垂向力和俯仰力矩,也计算了同一海底深度下潜艇阻力随傅氏数的变化,研究表明当海底深度超过二分之一艇长时,海底对阻力的影响可忽略不计.自由液面捕捉采用VOF(Volume of Fluid)方法.计算了不同浸深下潜艇模型的阻力和自由液面波型,同时又研究了同一浸深下阻力和波型随傅氏数的变化趋势.研究表明,当浸深超过三分之一艇长时,自由液面波高迅速减小,自由液面对阻力的影响可忽略不计.计算结果与试验结果吻合较好.     

翼板浮式防波堤消波性能

随着近年来海岸工程与海上作业对浮式防波堤的需求不断增加,提出了一种带翼板的新型浮式防波堤。基于三维势流理论,对翼板浮式防波堤的消波性能进行了计算分析,并与传统方箱式浮式防波堤进行对比。证明了在较长周期的波浪中,翼板浮式防波堤拥有更好的消波能力。翼板浮式防波堤截面参数对消波性能的影响表明：1）箱体宽度越大、吃水越深,防波堤消波效果越好;翼板长度越长、角度越小,最优消波效果对应的波浪周期越长。2）适当调整截面参数,可以使翼板浮式防波堤适应更多的海浪环境、增加更多的适用场景。     

翼板长宽比和夹角对加翼桩水平承载性能影响分析

加翼桩是优化的单桩基础形式,适用以承受水平荷载为主的风电基础。文章基于ABAQUS有限元分析软件构建加翼桩三维数值仿真模型,选择5种长宽比的矩形翼板、4种夹角梯形翼板研究翼板形状对加翼桩桩身位移、弯矩、应力和极限承载力的影响。研究结果表明,矩形翼板长宽比和梯形翼板夹角对加翼桩水平承载性能影响较大,翼板对加翼桩泥面处水平位移的影响远大于桩身最大弯矩的影响,相同翼板面积时扁长形翼板对加翼桩水平承载力的提升效果明显优于竖长形翼板,倒梯形翼板对加翼桩水平承载力的提升效果优于正梯形和矩形翼板。     

海底地形对浮体慢漂响应的影响研究

浮体在波浪中的运动经常受到海底地形的影响,文章基于势流理论,采用高阶边界元方法计算海底地形对浮体慢漂运动响应的影响,计算中充分考虑了海底地形在波浪传播中对其的绕射影响。计算结果表明,变浅的海底地形会导致波浪场的波高增加,浮体运动响应增大,分别对浮体相对海底地形不同位置时浮体受到的波浪力和运动响应进行了定性及定量的分析,分析了浮体相对海底地形不同位置时浮体的水动力特性及运动特性,说明为了更准确模拟近岸或者离岸线性约束浮体的水动力情况,海底地形的影响不能忽略。     

Effect of bed vicinity on vortex shedding and force coefficients of fluid flow on an offshore pipeline

The effect of rigid bed proximity on flow parameters and hydrodynamic loads in offshore pipelines exposed to turbulent flow is investigated numerically. The Galerkin finite volume method is employed to solve the unsteady incompressible 2D Navier–Stokes equations. The large eddy simulation turbulence model is solved using the artificial compressibility method and dual time-stepping approach. The proposed algorithm is developed for a wide range of turbulent flows with Reynolds numbers of 9500 to 1.5×10⁴. Evaluation of the developed numerical model shows that the proposed technique is capable of properly predicting hydrodynamic forces and simulating the flow pattern. The obtained results show that the lift and drag coefficients are strongly affected by the gap ratio. The mean drag coefficient slightly increases as the gap ratio increases, although the mean lift coefficient rapidly decreases. The vortex shedding suppression happen at the gap ratio of less than 0.2.     

旋转圆柱绕流的流场特性

在亚临界区Re=1.4×105条件下,基于大涡模拟（LES）方法对均匀来流作用下的旋转圆柱绕流进行了数值模拟。通过与非旋转时的实验和计算结果比较,验证了文中计算的准确性。在此基础上,对不同转速条件下（0≤α≤2,α为圆周线速度与自由来流速度的比值）的圆柱绕流进行了数值研究。结果表明,圆柱旋转可以有效地抑制其旋涡脱落,随着转速的增加,可大幅提高其升阻比,主要表现为阻力系数减小而升力系数线性增大。当α=2时,阻力系数和升力系数在经过短暂过渡期后达到稳定。     

基于CFD仿真计算的襟翼舵水动力研究

襟翼舵作为一种可靠的、高升力的舵在最近几年内引起了广大设计工作者的重视影响,同时也有不少成熟的研究成果。对襟翼舵的研究主要集中在展弦比,主副舵面积比,转角比等方面,这些因素对襟翼舵的整体影响规律也已得到不少专家的解释。本文主要研究襟翼舵主副舵间间隙大小以及尺度效应对其水动力性能的影响,以普通NACA0020翼型为基本剖面建立不同间隙大小的襟翼舵模型,采用RANS方法计算得到了不同缝隙大小以及不同缩尺比下的襟翼舵升力阻力以及压力分布,并对周围涡结构以及流场进行分析,发现升力系数随着缝隙增大而减小,阻力系数先减小再增大的规律。同时随着襟翼舵尺度的增大,升力系数会随之增大,阻力系数会随之减小。文中以计算模型和实验数据进行对比,两者误差在5%以内,证明了计算结果的可靠性。     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

基于 DES 方法的张力腿平台主体结构水动力特性研究

考虑张力腿平台立柱和浮箱之间的相互影响,通过分离涡模拟法（DES）对均匀流下张力腿平台主体三维水动力流特性进行了研究,讨论了张力腿平台阻力系数、升力系数及其频谱、压力系数和尾涡等特性。研究表明：阻力系数和升力系数时历曲线变化具有一定的周期性和“脉动性”;下游立柱受到上游立柱尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱阻力系数略大;下游立柱升力系数幅值较上游立柱升力系数幅值大,下游立柱泄涡具有明显的周期性特点;升力系数时历变化呈现紊乱,频谱图中谱峰个数越多且带宽越大。立柱表面压力系数呈现出“W”型且张力腿平台主体周围具有不同垂向流态形式,稳定脱落周期下通过压力系数最大值判断撞击点等特殊位置,压力系数最小值判断尾涡所附位置;尾涡具有高度各向相异性,不同来流方向下张力腿平台主体尾后出现不同尾涡结构和流形态。     

整流罩对深海立管水动力影响的数值模拟研究

应用CFD大涡模拟方法,对附有整流罩的深海立管的水动力影响效果进行了三维数值模拟。对不同的弦厚比在雷诺数分别为3 900、10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数及其频谱等特性。模拟结果表明:整流罩对立管升力和阻力有明显的抑制效果,相较于光滑立管,阻力系数均值降幅最大达到24.1%,升力系数均方根值降幅最大达到81.1%。阻力系数均值随弦厚比的增加先减小后趋于平稳升力系数均方根值随弦厚比的增加而增加。对比结果显示,弦厚比为1.2~1.6时,整流罩对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

Optimization of submerged floating tunnel cross section based on parametric Bézier curves and hybrid backpropagation - genetic algorithm

The cross-section geometry of a submerged floating tunnel (SFT) has a large effect on hydrodynamic characteristics, structural behavior and service level, making the tunnel cross section the primary factor in optimizing efficiency. Minimizing the mean drag and the dynamic variability in the lift of the SFT cross section under bi-directional (i.e., tidal) flow has a dramatic impact on the reduction of structural displacements and mooring loads. Based on a parametric Bézier curve dynamically comprising the leading-edge radius, tunnel height and width to define the SFT geometry, a sensitivity analysis of the Bézier curve parameters for a fixed aspect ratio with prototype dimensions under uniform flow conditions was conducted by applying Computational Fluid Dynamics (CFD), and the pressure distribution around the SFT cross-section surface was analyzed. A theoretical method comprising the Kármán vortex street parameters was employed to verify the CFD simulation results. In order to determine the SFT cross section with optimal hydrodynamic properties, the mean drag and Root Mean Square (RMS) lift coefficients were selected as optimization objectives, and four Bézier curve parameters were the input variables, in a neural network and genetic algorithm optimization process (a hybrid BP-GA structure), which is less likely to become trapped in local minima. The results show the optimal tunnel cross section has a mean drag and a RMS lift coefficient reduced by 0.9% and 6.3%, respectively, compared to the original CFD dataset.     

Response prediction of long flexible risers subject to forced harmonic vibration

Several research efforts have been directed toward the development of models for response prediction of flexible risers. The main difficulties arise from the fact that the dynamic response of flexible risers involves highly nonlinear behavior and a self-regulated process. This article presents a quasi-steady approach for response prediction of oscillating flexible risers. Amplitude-dependent lift coefficients are considered, as is an increased mean drag coefficient model during synchronization events. Experimental validation of the proposed model was carried out using a 20-m riser model excited by forced harmonic vibration at its top end. Large variations in the hydrodynamic force coefficients, a low mass ratio value, and synchronization events are the main features of the model presented in this article. Experimental validation was provided for the asymmetric, transverse, diagonal, and third vortex regimes.