海洋立管渦激振動機理與預(yù)報方法研究.pdf

1、由于國際上海洋石油工業(yè)向深水推進，以立管為代表的海洋結(jié)構(gòu)物的渦激振動問題重新受到人們的關(guān)注。圓柱狀海洋立管會在洋流的作用下產(chǎn)生瀉渦，在一定條件下，瀉渦誘發(fā)的交變流體力會引發(fā)結(jié)構(gòu)的大振幅響應(yīng)，從而降低海洋立管的疲勞壽命。如果能夠?qū)Σ痪鶆蚝Ｑ蟓h(huán)境中海洋結(jié)構(gòu)物的渦激振動響應(yīng)特性做出準確的預(yù)報，將能夠大大降低其造價。 本文作為國家自然科學(xué)基金專項基金項目“深海平臺的動力特性研究”(項目編號：50323004)的組成部分，旨在深入理解圓柱

2、狀海洋立管的渦激振動機理，并據(jù)此建立更加合理的渦激振動預(yù)報模型。 本文跟蹤了國外的有關(guān)圓柱體及海洋立管渦激振動問題的最新研究動向，對一系列熱點問題開展了深入的研究。內(nèi)容涉及均勻水流當中圓柱體的橫向振蕩及瀉渦的數(shù)值模擬、圓柱體白激振蕩與受迫振蕩關(guān)系的研究與討論、低質(zhì)量比圓柱體渦激振動預(yù)報模型的建立，以及細長柔性海洋立管在分布流作用下的渦激振動預(yù)報。論文深入分析了一系列與圓柱體及海洋立管渦激振動有關(guān)的重要物理參數(shù)，利用數(shù)值模擬工具以

3、及理論模型，合理地再現(xiàn)與分析了眾多與圓柱體渦激振動相關(guān)的物理現(xiàn)象。論文的主要內(nèi)容可以歸納為以下幾個方面： 1、系統(tǒng)歸納與評述了以往圓柱體以及海洋立管渦激振動的機理研究。深入闡釋了與圓柱體渦激振蕩相關(guān)的關(guān)鍵物理參數(shù)及若干物理概念。全面總結(jié)了現(xiàn)有的各種立管渦激振動預(yù)報模型。 2、詳細比較了兩類圓柱體渦激振動的機理實驗，即自激振蕩實驗與受迫振蕩實驗各自的特點與兩者的聯(lián)系。從對實驗現(xiàn)象與數(shù)值模擬結(jié)果的比較分析入手，在各個方面剖析

4、了兩類機理實驗研究的異同，包括流體力幅值與相位信息、圓柱體運動響應(yīng)方式及隨機特性、圓柱體與流體之間的能量平衡與轉(zhuǎn)移、尾流漩渦形式等。 3、利用RANS方法結(jié)合一定的網(wǎng)格策略模擬了水流當中圓柱體橫向自激與受迫振蕩。數(shù)值模擬成功地再現(xiàn)了一系列物理現(xiàn)象，如雙頻差拍振動、鎖定以及鎖定的解除、遲滯現(xiàn)象等。采用SSTκ-ω湍流模型模擬得到2P模式的尾流漩渦與最新的實驗結(jié)果吻合得相當好。 4、本文建立了彈性支撐圓柱體在均勻來流作用下的

5、渦激振動預(yù)報模型。從能量的角度，該模型成功地溝通了兩類渦激振動機理實驗——圓柱體的自激振蕩與受迫振蕩實驗。該模型的流體力系數(shù)來源于圓柱體的受迫振蕩實驗，卻可以利用這一模型預(yù)報彈性支撐低質(zhì)量比圓柱體的自激振蕩特性。利用本文的模型，合理地解釋一系列關(guān)于圓柱體渦激振動機理研究的熱點問題，如最大響應(yīng)振幅的決定因素、鎖定頻率與鎖定區(qū)間、遲滯現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象的正確理解與預(yù)報是理解低質(zhì)量比柔性海洋立管的渦激振動響應(yīng)特性的基礎(chǔ)。 5、將低質(zhì)量比

6、圓柱體渦激振動預(yù)報模型進行擴展，并吸取國外研究的成功經(jīng)驗，建立了適于預(yù)報與分析變參數(shù)細長柔性海洋立管的渦激振動預(yù)報模型。該模型首次將變參數(shù)細長柔性梁的有限元模態(tài)計算與渦激振動分析結(jié)合在一起。為了驗證模型的有效性，選取了近期立管渦激振動實驗結(jié)果進行了校核。結(jié)果顯示，本文模型合理地反映出附加質(zhì)量效應(yīng)對低質(zhì)量比細長柔性立管模態(tài)振型與模態(tài)頻率的影響。 論文創(chuàng)新性貢獻體現(xiàn)在以上所述2～5所述的內(nèi)容當中。通過本文的研究工作可以得出如下有價值

7、的結(jié)論： 1、對低質(zhì)量一阻尼因子圓柱體的渦激振動響應(yīng)出現(xiàn)的上端分支，首次給出了合理解釋，而這一解釋來源于對數(shù)值模擬結(jié)果與實驗現(xiàn)象的比較與分析。實驗當中出現(xiàn)的上端分支與下端分支的切換，原因如下：系統(tǒng)位于上端分支時，流體力相位發(fā)生驟變，同時軸向相關(guān)降低，因此流體力的隨機特性明顯；而隨機特性又隨著質(zhì)量一阻尼因子的降低得到了進一步的放大；在此區(qū)間如果用最大響應(yīng)幅值來反映振幅響應(yīng)，則會表現(xiàn)為上端分支。在數(shù)值模擬當中，RANS方法消除了流體

8、的隨機擾動，因此響應(yīng)幅值在鎖定區(qū)間變化平穩(wěn)。進一步的圓柱體自激振蕩實驗研究應(yīng)該更合理地反映隨機擾動的影響。而平均響應(yīng)振幅能夠反映系統(tǒng)總體的能量平衡狀態(tài)，較之最大響應(yīng)幅值更有參考意義。上述結(jié)論對未來的實驗研究與數(shù)值模擬有著重要的參考價值。 2、首次利用RANS方法，溝通了圓柱體自激振蕩與受迫振蕩尾流漩渦模式。指出無論是受迫振蕩還是自激振蕩，圓柱體的尾流漩渦模式在相同的平均振幅的情況下，主要取決于與實際振蕩頻率有關(guān)的折合頻率，此外，

9、還與圓柱體運動響應(yīng)的歷史狀態(tài)有關(guān)。而由于存在隨機擾動的影響，這方面的實驗研究存在著相當?shù)睦щy。 3、通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析與理論模型的驗證工作，本文發(fā)現(xiàn)需要重新理解若干有關(guān)渦激振動的物理現(xiàn)象及物理概念。首先，彈性支撐圓柱體的“鎖定”，并不意味著其振蕩頻率鎖定到結(jié)構(gòu)固有頻率上，正確的理解是瀉渦頻率“鎖定”到圓柱體的實際振蕩頻率上，而在鎖定區(qū)間，這一振蕩頻率實際上是變化量。其次，如果按照實際振蕩頻率規(guī)定的折合速度來界定，那么具有不

10、同質(zhì)量比的低質(zhì)量一阻尼因子系統(tǒng)將具有相同的鎖定區(qū)間。但如果按照常規(guī)的做法，使用結(jié)構(gòu)在真空或是在水中的固有頻率規(guī)定折合速度，那么鎖定區(qū)間上限會隨著質(zhì)量比的降低而增加。再次，隨著質(zhì)量比的降低到O(1)的量級上，最大響應(yīng)幅值不再是S<,G>參數(shù)的單調(diào)函數(shù)。上述發(fā)現(xiàn)與結(jié)論來源于對低質(zhì)量比條件下附加值量效應(yīng)的正確理解及量化，它們顛覆了人們對渦激振動現(xiàn)象的傳統(tǒng)理解。一般認為，“鎖定”區(qū)間對應(yīng)的折合速度范圍為5到8之間，在此區(qū)間，圓柱體的振蕩頻率“鎖

11、定”在其結(jié)構(gòu)固有頻率；而關(guān)于最大響應(yīng)幅值是否僅僅決定于S<,G>參數(shù)的討論，國際上還沒有定論。 　　4、圓柱體的實際振蕩頻率以及細長柔性立管的模態(tài)頻率，是理解低質(zhì)量比渦激振動系統(tǒng)響應(yīng)特性的關(guān)鍵。響應(yīng)頻率與固有頻率的差異來源于附加質(zhì)量效應(yīng)。而附加質(zhì)量決定于系統(tǒng)的響應(yīng)與來流速度分布。因此，系統(tǒng)的響應(yīng)頻率與響應(yīng)振幅是高度耦合的；在預(yù)報柔性立管的渦激振動響應(yīng)時，模態(tài)分析過程應(yīng)該與渦激振動響應(yīng)預(yù)報結(jié)合在一起。將模態(tài)分析結(jié)果作為渦激振動預(yù)報