海底管线管跨结构涡致耦合振动的数值模拟与实验研究
海底管线是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分，被喻为海上油气田的“生命线”，在海洋油气资源的开发利用中发挥着重大作用，海底管线的安全正常运行是海上油气田安全生产的重要保证。海底管线管跨结构由于具有特殊的结构形式，在海流作用下会发生复杂的涡致振动以及频率“锁定”现象，并诱发流体与结构之间的相互作用，由此导致的结构失稳以及疲劳破坏是海底管线损伤的重要形式。
针对海底管线管跨结构的涡致耦合振动问题，考虑到二维流场数值模拟的局限性以及管跨结构的动态响应具有轴向分布的特点，本文基于二维的标准κ-ε湍流模式，以及考虑管内流体流动影响的管跨结构运动控制方程，构建了由水动力模块和结构动力模块两部分构成的准三维数值模型，用于描述海底管线管跨结构的涡致振动以及涡致振动过程中流体与结构之间的相互作用。该模型的本质是用二维模型求解三维问题，其基本思想很大程度上体现在它的数值求解过程中。为了解决流固耦合数值研究中两相介质界面上力与运动关系的传递与协调问题，本文在总结前人研究工作的基础上，提出了一种新的动态块结构数值网格生成技术，该技术将包含壁面运动边界的网格块的运动与块内网格的变形结合起来，共同承担因壁面边界运动引起的域内网格的变形，因此能够满足结构大幅运动的需要，而不引起网格的畸变。
本文发展的准三维数值模型与新的动态块结构数值网格技术相结合，被成功应用于海底管线管跨结构涡致耦合振动问题的研究。通过数值算例，深入研究了涡致耦合振动过程中管跨结构的动态响应和动力特性以及绕流流场的水动力特性，详细分析了涡致耦合振动的各种影响因素，探讨了频率“锁定”以及流固耦合等非线性动力特性和行为，并得出了相关的结论。为了深化对该涡致耦合动力问题的物理过程和机制的认识，并验证结构表面流体作用力的数值计算结果以及海底管线管跨结构涡致耦合振动的数值模拟结果，在海军工程设计研究局港工实验室分别开展了“近底绕流圆柱体表面动水压力分布”以及“海底管线管跨结构涡致耦合振动动态响应”的实验研究，通过物理模型实验结果与数值模拟结果的分析和对比，实现对数值模型的有效性和适用性进行验证的目的。
海底管线管跨结构涡致耦合振动问题的研究，旨在解决海洋油气开发中存在的实际工程问题，本文对此开展了较为深入的数值模拟与实验研究。所做工作可以为海底管线管跨结构的损伤机理、失效模式和安全评估准则的研究、损伤检测评估方法和技术的发展以及灾害防治对策的制定提供相应的理论基础和依据，从而为海底管线在役期间的安全可靠运行提供保障。
海底管线;管跨结构;涡致振动;数值模拟;实验研究
中国海洋大学
博士
港口、海岸及近海工程
李华军
2006
中文
TE863;TE835
167
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）