随着海洋油气资源开采从大陆架走向深海,深海立柱式平台受到越来越多的重视。深海立柱式平台在工程应用中面临的重要问题之一就是涡激运动。涡激运动是一个复杂的物理问题。首先,涡激运动出现在高雷诺数流动下,且涉及到包含大分离的湍流流动,带有强烈的非定常特性;其次,立柱式平台的外观型式复杂多变,包括Spar、张力腿、半潜式平台等多种形式,部分平台带有螺旋侧板等附体;第三,在实际情况下,立柱式平台虽然有系泊系统的约束,但在高流速情况下,仍将出现大幅度的漂移。这些问题给涡激运动的精确预报提出了巨大挑战。针对上述问题,本论文以开源代码框架OpenFOAM为开发平台,对OpenFOAM中的分离涡模拟方法进行修改,并将其与动态重叠网格功能相结合,同时对动网格模块、系泊系统模块进行相应的改造,最终形成了涡激运动的数值求解器vim-FOAMSJTU。求解器适用范围广,可以计算复杂几何形状及系泊形式的浮式平台涡激运动。目前已应用于带有大分离流动的圆柱绕流、带螺旋侧板的Spar平台涡激运动、采用单根系泊的浮筒的涡激运动、多立柱半潜式平台涡激运动的数值模拟。求解器的主要功能模块包括流场计算模块、高雷诺数求解模块、弹簧系泊系统模块、六自由度运动模块、网格运动与更新模块、重叠网格计算模块。其中,流场计算模块调用OpenFOAM中的PIMPLE算法进行不可压缩流体的速度压力解耦,通过求解高雷诺数流动的URANS/DES方程,得到流场信息;高雷诺数求解模块对分离涡模拟模块进行改造,通过引入重叠网格插值与计算对象,实现对湍流输运方程中湍流物理量的流场信息更新,以此实现分离涡模拟方法和重叠网格技术的结合,在准确模拟大分离流动的同时还能处理物体大幅度运动;弹簧系泊系统由若干根弹簧组成,与六自由度运动模块相互调用,前者调用后者得到平台的位置更新系泊力,后者调用前者得到系泊力求解运动方程,以此实现弹簧系泊与物体运动的整体求解;网格运动与更新模块通过平台位置与姿态信息求解嵌套网格的网格节点位置,并通过OpenFOAM给动网格派生类预留的虚函数接口实现网格的更新,在更新网格后,重叠网格计算模块依据新的网格位置信息,通过调用Suggar++程序计算多块嵌套网格的重叠区域和插值信息并反馈给流场计算模块,供下一时刻流场求解使用。求解器的各模块都充分利用OpenFOAM的代码结构和数据,并采用C++面向对象的编程思想,实现了代码重用和接口统一,有利于以后的功能扩展。论文对所开发的求解器进行了系列算例验证。第一部分为单柱式平台三维绕流及涡激运动数值模拟。利用分离涡模拟方法,对雷诺数3900的无限长三维圆柱问题进行数值模拟,并将结果同物理试验对比,验证了求解器对大分离流动问题的可靠性。随后对有限长的单圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了柱体附近的流场特征,比较了带与不带螺旋侧板的圆柱绕流特性与三维涡结构。对带螺旋侧板的Spar平台进行涡激运动数值模拟,将结果同模型试验比较,验证了求解器对复杂几何形状平台求解的可靠性。对采用单根系泊浮筒涡激运动的数值模拟,研究了浮筒的运动响应随折合速度的变化规律,分析了横向、流向运动与首摇频率之间的关系,同时对典型时刻的流场特征进行了分析。第二部分为四立柱半潜式平台三维绕流及涡激运动数值模拟。三维绕流特性研究中,分析了平台各立柱的表面压力系数、流体力系数、漩涡脱落频率随来流速度的变化规律,并对典型时刻的流场进行了详细分析。涡激运动特性研究中,弹簧系泊系统在顺流和横流方向采用不同刚度,与模型试验对比结果表明求解器可以在考虑各向异性系泊刚度的情况下准确预报涡激运动响应。第三部分为八立柱半潜式平台三维绕流及涡激运动数值模拟。三维绕流问题的研究中,研究了不同来流速度和角度下的平台绕流特性,并将数值得到的拖曳力结果同试验比较,验证了求解器的可靠性。涡激运动问题的研究中,同样研究了涡激运动的各特性随折合速度和来流角度的变化规律,分析涡激首摇现象产生的原因并揭示了锁定现象产生的原因。综上所述,论文构建了面向深海立柱式平台涡激运动问题的CFD求解器,并采用该求解器对几类立柱式平台的三维绕流及涡激运动问题开展了较为深入的研究。研究对象除了典型的Spar和四立柱半潜式平台,还包含单根系泊的浮筒和概念设计的八立柱半潜式平台。研究了涡激运动特性随流速、流向等因素的变化情况,相应结果均有试验数据支撑,具有一定的可靠性。论文所开发的CFD求解器可以帮助工程人员更深入地了解涡激运动的产生机理及运动规律,为工程中的平台减涡设计及安全运营提供分析工具。