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附属管抑制隔水管涡激振动的流体动力学特性研究

作　者: 赵卓茂
导　师: 王嘉松
学　校: 上海交通大学
专　业: 流体力学
关键词: 隔水管附属管涡激振动流体动力学特性流动控制
分类号: O353.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 59次
引　用: 2次
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内容摘要

隔水管系统是海洋油气勘探开发平台大系统的关键部件。附属管作为钻井隔水管系统中的必要设备,除起到作业的基本功能外,也可通过影响隔水管周围的流场进而抑制其涡激振动。本文将附属管视为一种涡激振动抑制装置,通过改变在隔水管周围的排布方式研究其流动控制效果,优选出合适的方案以备参考。将隔水管系统简化为二维尺度模型,结合风洞实验、水洞实验和数值模拟计算三种手段,着眼于隔水管受力情况和涡脱频率等关键动力学参数,进行了附属管抑制隔水管涡激振动的流体动力学研究。首先得出了单隔水管绕流结果,并与经典圆柱绕流结果进行了对比验证,表明本文研究结果可靠。通过附属管实验和数值模拟结果的对比,表明三种方法结果吻合,利用风洞实验作为长期系统的研究隔水管流动控制和涡动变化的重要辅助手段是可行的。进一步研究结果表明:不同布置方式和尺寸的附属管对隔水管涡激振动的控制效果明显不同,附属管应尽量成对使用;考虑到对海水来流方向改变的适应性,本文附属管装置减阻减升最大可达40%和85%;认为附属管数目N=8是工程上最优的选择,此时时均阻力系数和脉动升力减小幅度最大分别可达到30%和70%以上,涡脱主频已经消失,大大地减弱了涡激共振的可能性。附属管直径大小具体可以按照工程上对减阻减升的要求以及其他功能的需要进行选取。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-23
  1.1 研究背景及意义  10-13
    1.1.1 课题背景  10-11
    1.1.2 隔水管简介及研究意义  11-13
  1.2 研究现状分析  13-21
    1.2.1 国内外研究综述  13-14
    1.2.2 实验方法  14-16
    1.2.3 半经验模型方法  16-18
    1.2.4 CFD数值模拟方法  18
    1.2.5 VIV分析的程序软件  18-19
    1.2.6 涡激振动抑制方法  19-21
  1.3 本文的主要研究内容  21-23
第二章涡激振动及其抑制  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 圆柱绕流理论  23-30
    2.2.1 曲面边界层及其分离  23-26
    2.2.2 旋涡脱落的机理和特性  26-29
    2.2.3 旋涡脱落产生的流体力  29-30
  2.3 涡激振动现象  30-32
    2.3.1 涡激振动简介  30-31
    2.3.2 抑制效果的评价  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章数值处理方法及模型  33-43
  3.1 引言  33
  3.2 隔水管流动控制方程  33-34
    3.2.1 连续性方程  33-34
    3.3.2 动量方程  34
  3.3 数值处理方法  34-40
    3.3.1 有限体积法(FVM)  35
    3.3.2 湍流模型  35-37
    3.3.3 近壁面网格处理  37-38
    3.3.4 求解算法与离散格式  38-40
  3.4 隔水管系统模型的建立  40-42
    3.4.1 单隔水管模型  40
    3.4.2 附加抑制装置的隔水管系统模型  40-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章隔水管系统的风洞实验研究  43-56
  4.1 引言  43
  4.2 风洞实验设计  43-46
    4.2.1 风洞设备  43-44
    4.2.2 实验方案  44-45
    4.2.3 数据采集系统  45-46
  4.3 实验结果与分析  46-55
    4.3.1 压力分布  46-52
    4.3.2 升阻力系数  52-54
    4.3.3 St数  54-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章隔水管系统的水洞实验研究  56-69
  5.1 引言  56
  5.2 水洞实验设计  56-57
    5.2.1 实验设备  56-57
    5.2.2 实验方案  57
  5.3 单隔水管实验结果  57-61
    5.3.1 雷诺数对结果的影响  57-59
    5.3.2 亚临界区域结果  59-61
  5.4 附加附属管实验结果  61-68
    5.4.1 四根附属管实验结果  61-65
    5.4.2 十根附属管实验结果  65-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章隔水管系统的数值模拟及对比  69-94
  6.1 引言  69
  6.2 单隔水管的数值模拟  69-77
    6.2.1 网格的划分  69-71
    6.2.2 流场初始化  71-72
    6.2.3 结果及分析  72-77
  6.3 附加附属管模型的数值模拟  77-91
    6.3.1 前处理  77-78
    6.3.2 时均阻力  78-80
    6.3.3 脉动阻力  80-82
    6.3.4 时均升力  82-85
    6.3.5 脉动升力  85-87
    6.3.6 St数  87-90
    6.3.7 涡量图  90-91
  6.4 动力学特性综合分析  91-93
  6.5 本章小结  93-94
第七章全文总结  94-97
  7.1 主要结论  94-95
  7.2 研究展望  95-97
参考文献  97-104
致谢  104-105
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  105-107

附属管抑制隔水管涡激振动的流体动力学特性研究

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