【摘要】：深海石油開采關(guān)鍵依托海面大型石油鉆井平臺,立管是連接海面平臺與海底井口的通道。立管既要承受自重和頂張力這些靜載荷,又要承受海流引起的渦激振動等動載荷。近些年隨著海洋開采逐步向深海發(fā)展,立管的長細(xì)比迅速增長,更易激發(fā)出高階模態(tài)的振動。渦激振動造成的疲勞損傷常會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效,甚至?xí)䦟?dǎo)致重大事故的發(fā)生。因此,深海立管渦激振動已經(jīng)成為海洋工程的重大課題。實(shí)際海況中,立管頂端的浮式平臺常處于風(fēng)、波、流之中,其會帶動立管頂部在水中往復(fù)運(yùn)動,從而形成立管和水之間的相對振蕩流,這對立管的渦激振動有不小影響。目前關(guān)于平臺運(yùn)動下立管渦激振動的研究仍不多。本工作使用計(jì)算流體動力學(xué)方法和計(jì)算結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法研究平臺水平運(yùn)動下立管渦激振動。本研究中使用切片法減少流場計(jì)算量,在每個(gè)切片上結(jié)合SST k-ω湍流模型求解雷諾平均納維 斯托克斯方程,并使用小位移伯努利 歐拉梁對立管進(jìn)行有限元建模以求解振動。求解過程中使用支座激勵(lì)來模擬平臺的水平運(yùn)動,即對立管的頂部施加強(qiáng)迫簡諧運(yùn)動。本文首先研究了振蕩流中柔性圓柱渦激振動,橫流向振動數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)吻合較好,從而驗(yàn)證了課題組自主開發(fā)的求解器viv-FOAM-SJTU模擬振蕩流中渦激振動問題的有效性,并觀察到了順流向振動中的三種成分:低頻振蕩,立管轉(zhuǎn)向時(shí)的一階固有頻率振動以及瀉渦引起的二階固有頻率振動。隨后本文對平臺單一方向運(yùn)動時(shí)立管渦激振動進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,觀察到了“X”,“II”,“O”三種軌線。其中豎直立管僅受到頂端激勵(lì),而水平圓柱兩端激勵(lì),兩者可等效為振蕩流中的剪切流和均勻流。頂端激勵(lì)下可在順流向振動的高階模態(tài)權(quán)重中觀察到低階振蕩,這正是由于等效的振蕩剪切流的剪切率造成的。本文對平臺兩個(gè)方向運(yùn)動時(shí)立管渦激振動進(jìn)行了計(jì)算,包含“∞”型和拋物線型兩種平臺運(yùn)動形式。最后研究了頂端平臺運(yùn)動和來流共同作用下立管的渦激振動。有來流情況,由于順流過程中相對流速較小,誘發(fā)的振動幅值較小,而逆流過程中相對流速較大,誘發(fā)的振動幅值較大,整體相比于無來流情況,振動幅值的波動周期翻倍。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE952
【圖文】：

考慮平臺水平運(yùn)動的頂部張緊式立管渦激振動數(shù)值研究 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文在明顯區(qū)別。最大的區(qū)別即為升力和阻力上出現(xiàn)的高次諧波。圓柱的振動軌線影響旋渦的脫落，從而影響了圓柱上力的大小和頻率。圓柱在順流向和橫流向的自然頻率之間的比值可能并非 ，由于有效附加質(zhì)量的影響，當(dāng)兩個(gè)方向上都發(fā)生鎖定時(shí)，順流向和橫流向方向之間的有效固有頻率比總是 。這種情況被稱為雙共振[25]。系統(tǒng)會通過調(diào)整順流向和橫流向的有效附加質(zhì)量的值來滿足雙共振條件，只要尾流中的渦可以持續(xù)提供適當(dāng)?shù)母郊淤|(zhì)量值雙共振狀態(tài)就可以保持。1.2.2 來流中立管渦激振動

文 Facchinetti 尾流振子模型與 直接數(shù)值模擬 振子模型對計(jì)算資源要求很低，可在各種析，如文獻(xiàn)[54]模型已經(jīng)包含在 OrcaFlex 中的簡化模型，使用尾流 振子模型來求解流近些年出現(xiàn)了求解流體力的新模型，如文獻(xiàn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測基于最近速度歷史在一些穩(wěn)定性問題。，由于得到的偏微分方程變得更為復(fù)雜，導(dǎo)全耦合和強(qiáng)非線性偏微分方程需通過計(jì)算斯方程來進(jìn)行 流固耦合 (FSI) 求解的時(shí)域的時(shí)間也可能從幾小時(shí)到幾天不等，但它模態(tài)。隨著計(jì)算能力的提高，近些年計(jì)算流

圖 1 6 振蕩流中振動軌線[62]Figure 1 6 Vibration trajectories in oscillatory flows[62]1.2.3 振蕩流中立管渦激振動來流引起的橫流向渦激振動已經(jīng)得到了廣泛的研究[12, 15, 64]。相對而言，其他因素對渦激振動的影響得到的關(guān)注較少。海洋環(huán)境中，振蕩的波浪和來流以各種形式和大小出現(xiàn)，它們既不是完全周期性的，也不是完全非周期性的。它們皆會引起立管或其它柱狀結(jié)構(gòu)周圍的振蕩流。文獻(xiàn)[65]通過試驗(yàn)研究了 數(shù)從 1 到 40 振蕩流通過圓柱時(shí)的渦旋，并將其分成不同的流動機(jī)制： 時(shí)附著對渦（非瀉渦流型），時(shí)的單對瀉渦流型， 時(shí)的兩對瀉渦流型， 時(shí)三對瀉渦流型， 時(shí)四對瀉渦流型。研究發(fā)現(xiàn)，圓柱上的水動力主要受 數(shù)和雷諾數(shù)的影響[66]。文獻(xiàn)[67]詳細(xì)研究了振蕩流中，旋渦脫落狀態(tài)與圓柱水動力作用之間的關(guān)系。振蕩流中固定圓柱周圍流場的數(shù)值研究是比較成功的，主要關(guān)注低雷諾數(shù)和低

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王俊高;付世曉;許玉旺;宋磊建;;正弦振蕩來流下柔性立管渦激振動發(fā)展過程[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

本文編號：2784294