海洋立管绕流的数值模拟及涡激振动抑振试验
海洋工程中应用的海洋立管等管线结构，会受到流体的绕流分离作用，流体在发生漩涡脱落的同时，会在其横流向和顺流向产生周期性的作用力，引发结构的涡激振动。当漩涡脱落频率与结构的自振频率相同或相近时，会发生“锁定(Lock in)”现象，使结构的振动强度和振幅明显增加，加速立管的疲劳破坏进程。 由于管线众多，立管相互之间的干扰作用使得周围的流场变得非常复杂。本文运用计算流体动力学的方法，通过建立圆柱体绕流模型，模拟绘制出管线周围的流场形式，分析漩涡的脱落规律，并选择常见的螺旋导板抑振装置，设计了阶段流作用下的涡激振动抑振试验，研究其抑振效果受排列方式影响的规律。 首先，运用计算流体动力学软件，将海洋立管简化为刚性的圆柱体结构模型，进行二维静止绕流的数值模拟，研究在低亚雷诺数区间内和串、并列方式下，雷诺数和柱间距的变化对其尾流形式、漩涡脱落频率、剪切层分离点位置和结构所受作用力的影响规律。通过分析在不同柱间距时某一雷诺数下的尾流流线形式，解释不同尾流形态形成的原因，并确定出不同尾流形态对应的柱间距区间以及该区间随雷诺数变化的规律。 然后，根据绕流流场和漩涡脱落规律，引入导流角和导流次数的概念，分析螺旋导板通过引导径向来流发生分离和改变漩涡脱落的规律抑制海洋立管涡激振动的原理，分析螺旋导板的螺距、螺旋数和覆盖率等参数的变化对导流角和和导流次数的影响。 最后，鉴于目前较大比尺的抑振试验多限于横向拖曳或者均匀流流场的研究现状，选用长细比为310的铜管作为试验模型，加工制作螺高为0.25D的梯形截面螺旋导板，进行阶段流作用下的海洋立管涡激振动抑振试验。通过对单螺旋、双螺旋和三螺旋等不同螺距和覆盖率的抑振管进行不同外流流速下的测试试验，重点研究立管处于三阶锁振区间附近时，螺距、螺旋数和覆盖率等参数对立管振幅和振动频率的影响规律，分析螺旋导板的抑振效果对三者的敏感性。
海洋立管绕流;数值模拟;涡激振动;抑振试验
中国海洋大学
硕士
防灾减灾工程及防护工程
郭海燕
2013
中文
TE952
94
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）