海洋隔水管涡激振动特性的三维数值模拟的分析研究.pdf

A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Science Master Study on Three Dime nsional Numerical Simulation of VIV Characteristics for Marine Riser (Supported by the Important National Science and Technology Specific Project , Grant No. 2008ZX05026 - 001 -05. ) Author : Chengg uan Wang Specialty : Power Mechanics & Engineering Advis or Ⅰ: Prof. Xinqi Qiao Advi sor Ⅱ:Prof. Jiasong Wang School of Mechanical and Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai, P. R. China February 14, 20 11 万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要第 I 页海洋隔水管涡激振动特性的三维数值模拟研究摘要涡激振动是海洋隔水管疲劳损坏的主要诱因, 随着海洋油气勘探开发水深的不断增加,大长径比柔性隔水管的涡激振动特性越来越受到学术界和工程界的关注。鉴于耦合模拟方案、计算效率、计算机配置等诸多困难,对大长径比柔性隔水管的涡激振动特性进行三维数值模拟一直是比较棘手的研究课题。近年来随着计算机硬件和软件性能的不断提升以及高性能并行计算技术的兴起,国外越来越多的学者开始了隔水管涡激振动特性的三维数值模拟研究,但国内相关的研究工作才刚刚起步。本文基于 CFD 数值模拟技术,进行了一系列的隔水管流向与横向涡激振动的三维数值模拟。采用 CFX 作为流场求解器,使用 k ω?湍流模型对流体流动进行三维 CFD 数值模拟;采用 ANSYS 作为固场求解器,使用基于三维实体单元的有限元方法对隔水管动力响应进行数值模拟; 借助 ANSYS Workbench 平台,实现流—固耦合交界面的无缝数据传递。通过将数值模拟结果与实验结果对比,验证了上述耦合模拟方案的可行性, 并在此基础上完成了不同预紧力时隔水管涡激振动特性的三维数值模拟,然后本文首次开展了一系列加载不同预紧力时某型实际尺寸隔水管涡激振动特性的三维数值模拟,深化了对隔水管涡激振动特性的认识,探讨了预紧力对隔水管涡激振动特性的影响效果。模拟结果表明, 隔水管振动时会出现非对称的弯曲大变形现象, 横流向振动体现了多阶模态复合振动的特性,顺流向的动力响应不可忽略, 隔水管运动轨迹呈万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要第 II 页现变形的“ 8”字。同时, 预紧力增大,隔水管的振动幅度减小,激发的模态阶数降低,体现出对涡激振动的抑制效果。上述结论为确定合理的预紧力大小以及隔水管的设计、维护等提供了有益的参考。关键词: 隔水管;预紧力; 三维; 数值模拟; 涡激振动(VIV ) ; 流固耦合( FSI );计算流体力学(CFD ) 万方数据上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 Study on Three Dimensional Numerical Simulation of VIV Characteristics for Marine Riser ABSTRACT Vortex -induced vibration (VIV) is the main cause of fatigue failure of marine risers . As the continuous increase of the depth of offshore oil and gas exploration, the VIV characteristics of flexible marine riser with high aspect ratio of length to diameter are increasingly concerned by the academic and engineering fields .In view of coupling simulation strategy , computational effici ency , com puter’ s hardware configuration and many other difficulties ,the three dimensi