海洋立管涡激振动的数值模拟研究

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海洋立管是连接海洋平台和海底设备的通道,是海洋油气资源开发中不可或缺的重要部件。当海流以一定的速度流经海洋立管时,会在立管两侧发生交替的漩涡脱落,使立管发生涡激振动。当来流速度在一定范围内时,漩涡脱落频频率与海洋立管的固有频率接近,此时会发生锁定(Lock-in)现象。发生锁定现象时,漩涡脱落频率会维持在立管的固有频率附近,使立管发生共振,加剧立管的疲劳破坏。海洋立管的涡激振动特性既与自身的尺寸、材料等参数有关系,同时也受来流速度的影响,一般用约化速度表示立管自身性质与来流速度的关系。研究不同的约化速度下立管的升(阻)力系数、漩涡脱落频率和中部位移等关键参数的变化规律,可以得到锁定现象发生时的约化速度范围。同时,为了增加海洋立管的使用寿命,对减振装置进行研究是非常有必要的。本文利用计算流体力学软件ANSYS CFX,分别对刚性立管的漩涡脱落特性、柔性立管的涡激振动特性和整流罩的减振作用进行了数值模拟,并对数据进行了整理和对比。具体的研究内容如下:(1)在雷诺数为200时,研究了湍流模型对模拟结果的影响,通过与文献结果的对比发现,采用大涡模拟(LES)湍流模型时的计算精度较高,且收敛速度较快,适合立管涡激振动的数值模拟。(2)在不同的雷诺数下,对刚性立管的漩涡脱落特性进行了研究。通过对数据的分析,得到了流场、刚性立管的升(阻)力系数和漩涡脱落频率随雷诺数的变化规律。(3)在不同的约化速度下,考虑流固耦合的影响,对柔性立管的涡激振动进行了研究。通过对数据的分析的发现,在约化速度在4到8之间时,立管的涡激振动发生锁定现象。(4)研究了整流罩对立管涡激振动的影响。结果表明,整流罩可以有效地降低立管受到的阻力和升力变化频率,并使漩涡的脱落模式发生变化。
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