海洋立管渦激振動機理與預報方法研究.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構物的渦激振動問題重新受到人們的關注。圓柱狀海洋立管會在洋流的作用下產生瀉渦，在一定條件下，瀉渦誘發(fā)的交變流體力會引發(fā)結構的大振幅響應，從而降低海洋立管的疲勞壽命。如果能夠對不均勻海洋環(huán)境中海洋結構物的渦激振動響應特性做出準確的預報，將能夠大大降低其造價。 本文作為國家自然科學基金專項基金項目“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，并據此建立更加合理的渦激振動預報模型。 本文跟蹤了國外的有關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系的研究與討論、低質量比圓柱體渦激振動預報模型的建立，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的物理現(xiàn)象。論文的主要內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的關鍵物理參數(shù)及若干物理概念。全面總結了現(xiàn)有的各種立管渦激振動預報模型。 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、圓柱體運動響應方式及隨機特性、圓柱體與流體之間的能量平衡與轉移、尾流漩渦形式等。 3、利用RANS方法結合一定的網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報彈性支撐低質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于圓柱體渦激振動機理研究的熱點問題，如最大響應振幅的決定因素、鎖定頻率與鎖定區(qū)間、遲滯現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象的正確理解與預報是理解低質量比柔性海洋立管的渦激振動響應特性的基礎。 5、將低質量比

6、圓柱體渦激振動預報模型進行擴展，并吸取國外研究的成功經驗，建立了適于預報與分析變參數(shù)細長柔性海洋立管的渦激振動預報模型。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果進行了校核。結果顯示，本文模型合理地反映出附加質量效應對低質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所述的內容當中。通過本文的研究工作可以得出如下有價值

7、的結論： 1、對低質量一阻尼因子圓柱體的渦激振動響應出現(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，同時軸向相關降低，因此流體力的隨機特性明顯；而隨機特性又隨著質量一阻尼因子的降低得到了進一步的放大；在此區(qū)間如果用最大響應幅值來反映振幅響應，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該更合理地反映隨機擾動的影響。而平均響應振幅能夠反映系統(tǒng)總體的能量平衡狀態(tài)，較之最大響應幅值更有參考意義。上述結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的折合頻率，此外，

9、還與圓柱體運動響應的歷史狀態(tài)有關。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構固有頻率上，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、同質量比的低質量一阻尼因子系統(tǒng)將具有相同的鎖定區(qū)間。但如果按照常規(guī)的做法，使用結構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)間上限會隨著質量比的降低而增加。再次，隨著質量比的降低到O(1)的量級上，最大響應幅值不再是S<,G>參數(shù)的單調函數(shù)。上述發(fā)現(xiàn)與結論來源于對低質量比條件下附加值量效應的正確理解及量化，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”在其結構固有頻率；而關于最大響應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，是理解低質量比渦激振動系統(tǒng)響應特性的關鍵。響應頻率與固有頻率的差異來源于附加質量效應。而附加質量決定于系統(tǒng)的響應與來流速度分布。因此，系統(tǒng)的響應頻率與響應振幅是高度耦合的；在預報柔性立管的渦激振動響應時，模態(tài)分析過程應該與渦激振動響應預報結合在一起。將模態(tài)分析結果作為渦激振動預報