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海洋隔水管涡激振动特性的三维数值模拟研究

作　者: 王成官
导　师: 乔信起；王嘉松
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
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)
分类号: TE952
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题研究背景和意义  10-12
  1.2 海洋隔水管涡激振动的研究现状  12-18
    1.2.1 理论研究  12-13
    1.2.2 实验研究  13-15
    1.2.3 数值模拟研究  15-18
  1.3 本文的主要工作和创新点  18-20
    1.3.1 本文的主要工作  18-19
    1.3.2 本文的创新点  19-20
第二章涡激振动的理论基础  20-34
  2.1 涡的产生和脱落  20-22
  2.2 涡脱落产生的流体力  22-26
    2.2.1 升、阻力的产生  22-23
    2.2.2 升、阻力的力学特性  23-26
  2.3 涡的脱落频率及形态  26-30
    2.3.1 涡的脱落频率  26-27
    2.3.2 涡的脱落形态  27-30
  2.4 隔水管涡振动的响应模态分析  30-33
    2.4.1 理论自振频率的计算  30-31
    2.4.2 激发模态的预估  31
    2.4.3 模态叠加  31-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章涡激振动的耦合数值模拟方法  34-50
  3.1 流固耦合简介  34-35
  3.2 控制方程  35-36
    3.2.1 流体力学控制方程  35
    3.2.2 结构动力学控制方程  35-36
  3.3 湍流及湍流模型  36-37
  3.4 常用的数值模拟方法和数值处理技术  37-40
    3.4.1 数值模拟方法  37-39
    3.4.2 数值离散格式  39-40
  3.5 网格变形与控制策略  40-42
  3.6 近壁面和流固耦合交界面的处理策略  42-43
    3.6.1 近壁面处理  42
    3.6.2 流固耦合交界面的处理  42-43
  3.7 流固耦合问题的通用解决方案  43-44
    3.7.1 直接流固耦合求解  43-44
    3.7.2 多场交叉耦合求解  44
  3.8 ANSYS 流固耦合技术概述  44-49
    3.8.1 ANSYS 耦合场分析概述  45-46
    3.8.2 ANSYS 多场求解器简介  46-47
    3.8.3 使用ANSYS+CFX 实现流固耦合分析  47-49
  3.9 本章小结  49-50
第四章流固耦合模拟方案的可行性研究  50-62
  4.1 数值模型的建立  51-52
  4.2 网格划分  52-54
  4.3 软件和硬件资源简介  54-57
  4.4 三维流固耦合数值模拟方案可行性的验证  57-61
    4.4.1 计算模型的建立  57
    4.4.2 圆柱绕流的固定流场模拟  57-59
    4.4.3 涡激振动的流固耦合模拟  59-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章不同预紧力时隔水管涡激振动特性的耦合模拟  62-77
  5.1 不同预紧力时的流固耦合模拟结果  62-76
    5.1.1 隔水管振动的时间历程  62-64
    5.1.2 隔水管运动轨迹  64-66
    5.1.3 隔水管振型分析  66-69
    5.1.4 隔水管涡激振动时的流固耦合效果  69-70
    5.1.5 隔水管涡激振动对流场的扰动效果  70-74
    5.1.6 涡的脱落模式  74-75
    5.1.7 尾流区三维效应  75-76
  5.2 本章小结  76-77
第六章实际尺寸隔水管涡激振动特性的数值模拟  77-93
  6.1 模型建立  77-78
  6.2 涡激振动的流固耦合模拟结果  78-92
    6.2.1 隔水管的动力响应  78-85
    6.2.2 隔水管涡激振动时的流固耦合效果  85-87
    6.2.3 特定截面的流场特性  87-91
    6.2.4 尾流区三维效应  91-92
  6.3 本章小结  92-93
第七章全文总结  93-95
  7.1 主要结论  93-94
  7.2 研究展望  94-95
参考文献  95-100
致谢  100-101
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  101-103

海洋隔水管涡激振动特性的三维数值模拟研究

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