海洋立管涡激振动的流固耦合模拟计算

通过求解粘性Navier-Stokes方程、湍流模型,以及涡激振动的结构动力响应方程,实现流固耦合,运用动网格技术,在雷诺数3 125～16 250的较大范围内对立管低质量比、小阻尼的情况进行了单自由度和两自由度涡激振动的模拟计算。得到了立管升阻力系数、位移比和频率等随约化速度变化的规律,捕捉到锁定、失谐和相位开关等现象,并与经典的实验及模拟结果做对比,效果很好。然后对两种自由度的结果进行对比,表明在低质量情况下流向阻力引起的运动对振动的影响不能忽略。     

海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望

随着深海油气资源的开采,越来越多的研究者开始关注海洋立管的涡激振动问题.在海洋环境下,洋流是海洋立管的涡激振动的主要原因.当洋流流经立管时会在立管的两侧产生交替的泄涡,导致立管受到横流向和顺流向的脉动流体力.这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因.海洋立管的涡激振动是一个异常复杂的工程问题,它涉及许多科学上悬而未决的难题,如紊流、流动分离、分离点的漂移等等.此外,事先无法确定的立管的位置和立管与洋流之间的相互作用又大大增加了解决这一问题的难度.尽管近几十年里科学界在此方面做了大量的研究工作,一个能够准确、高效、经济地预报海洋立管涡激振动的方法仍然没有得到.即便如此,最近的研究工作依然在许多方面作出了突出的成就.首先介绍了涡激振动的背景知识和基础理论.随后,回顾了近年来海洋立管涡激振动方面的研究成果.接着,重点介绍了当前海洋立管涡激振动领域内的两个热点研究问题,即:在多大程度上立管的顺流向振动能够影响立管的横流向振动,以及尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动响应的.最近的研究发现,当结构与流体的质量比小于6时,顺流向振动能显著增大横流向振动的振幅.最近的研究还发现,立管尾流的三维特性和立管受到流体力的轴向相关度有密切关系.随着流动的发展(海流折合速度从0增加到12),立管尾流的三维特性发生变化,在初期,立管尾流的三维特性不明显,流体力的轴向相关度基本等于1,也就是说,流体力和立管的位移响应是同步的,因此能量不断地由海流向立管转移,导致立管的振幅不断增大.当海流折合速度大于6时,流体力的轴向相关度由1锐减到负值,此时,立管尾流的三维效应显著.最后针对今后海洋立管的涡激振动的研究提出一些建议.     

新型海洋立管涡激振动抑振装置的敏感性试验

将月牙扰流器按"八"字布置于立管表面用以抑制立管涡激振动,为研究其抑振效果,分析其抑振敏感性,在大型波、浪、流水槽进行涡激振动抑振试验。试验中采用有机玻璃管模拟立管,立管模型长1.5m,外径18mm,壁厚2mm,两端铰接,外流速分别为0.6、0.7m/s。按照不同螺高、螺距及迎水面形式设计8根具有正八字、倒八字抑振装置的不同类型抑振管,同时设计一根与抑振管相同配重的裸管,在立管表面粘贴应变计以测得动态应变数据,经过数据处理得到立管振动位移值。通过各抑振管间以及抑振管与配重裸管之间横向振动位移幅值的对比,研究抑振装置的抑振敏感性。结果表明:在适当尺寸及布置形式条件下,表面按"八"字布置月牙扰流器能够有效抑制立管横向涡激振动;迎水面月牙布置形式不同,抑振效果略显不同,迎水面布置为倒八字其抑振效果优于正八字,但该种抑振装置仍可实现全向性;抑振装置的螺高、螺距对抑振效果有一定影响,螺高增大、螺距减小有利于提高抑振效果。     

海洋立管试验支座设计及其对涡激振动影响研究

针对大长细比顶张力立管内外流共同作用时涡激振动的试验研究,考虑端部铰接和固接两种边界条件,设计了可施加张力和内流的铰接支座和固接支座,并对两种支座进行数值模拟及受力分析,最后用于深水立管的涡激振动试验。立管模型材料采用6.2 m长铜管,外径20 mm,壁厚1.5 mm,分别支撑在铰接支座和固接支座上,施加不同的顶部张力、外流流速和内流流速。通过在立管表面粘贴光纤光栅应变计获得动态应变数据,分别从动态响应幅值、频率等方面对不同边界条件立管的试验数据进行对比分析,得出在顶张力、内流速相同的情况下,外流速相等时两端铰接立管的振动幅值大于两端固接立管,随着外流速的增加,两端铰接立管比两端固接立管率先发生锁振现象。     

海中输流立管涡激振动试验研究及疲劳寿命分析

为研究海洋立管涡激振动响应并预测其疲劳寿命,在中国海洋大学物理海洋实验室大型风-浪-流水槽进行海洋立管涡激振动模型试验.考虑管内流体的流动,运用相似理论将实际海洋立管缩放为试验模型,施加不同流速的外流,测得立管在涡旋脱落时顺流向及横向振动的应变时程曲线,根据实测结果,采用Miner理论对立管进行疲劳寿命分析.结果表明:立管横向振动比顺流向振动强烈,大约高一个数量级;随骀着外流流速的增加,管道横向及顺流向振动明显增加,立管的疲劳寿命降低;立管中部及端部振动比较强烈,疲劳寿命较其它位置处低,容易发生疲劳破坏.     

三根附属控制杆对海洋立管涡激振动抑制作用实验研究

海洋立管的涡激振动会严重影响立管结构的使用寿命.通过室内水槽实验研究在立管模型周围等分布置三根附属控制杆来减小立管涡激振动响应的新型抑制措施.实验中观测了0.24 m/s、0.31 m/s、0.37 m/s以及0.44 m/s四种均匀流和两个极限来流方向下的涡激振动抑制效果.实验结果表明:三根附属控制杆抑制措施可明显降低立管模型的横向振动幅值,但对主管的振动频率改变不大;同时,这一抑制措施对来流方向有较强的适应性,避免了以往单根控制杆在流向发生改变时可能加剧立管涡激振动的弊端.     

深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟

针对阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验所需的外流条件,根据实验室的基本情况,对试验流场进行了设计改造和数值模拟。根据数值模拟的结果,选定了试验流场的改造方案,并对改造后测得的试验数据和数值模拟的结果进行了对比分析。结果表明:在低流速时,模拟结果与试验流速吻合较好;在高流速时,数值模拟结果比试验流速略大。在误差允许的范围内,可以得到均匀分布的流场。     

非均匀流中立管涡激振动模型预测分析

文中分析了非均匀流中,张紧式海洋立管的涡激振动,采用新的加速度耦合尾流振子模型作为预测细长海洋工程柔性结构的计算工具,将预测结果中的横向位移包络线及最大幅值与实验观测值、shear7软件计算值进行了对比,可以发现模型的计算结果与实验观测结果吻合得很好.     

多跨海底管道横流向涡激振动预报模型

基于欧拉-伯努力梁理论确定了多跨管道结构振动方程,采用非线性Van der pol方程描述旋涡脱落的尾流动力特性,利用弹簧模拟两端和中间的复杂边界约束,构建了多跨海底管道横流向涡激振动预报模型。基于模态正交性展开流-固耦合作用方程,对各阶主坐标响应进行数值求解。对比了本模型预报结果与试验结果、软件分析以及DNV规范推荐值,吻合情况比较理想。本模型可为深海多跨管道涡激振动的研究、防范和治理提供有效的分析方法。     

质量比对柔性立管涡激振动影响实验研究

质量比是影响海洋立管涡激振动的一个重要因素.通过在室内物理实验中使立管模型内部分别充填空气、水和沙来改变立管的质量比,从而研究质量比对柔性细长立管涡激振动的影响.实验结果表明:在相同流速下,质量比大的立管模型所激起的模态更高.在低约化速度区域,空管和水管的涡激振动响应频率与涡脱落频率相同,沙管的响应频率则与自振频率更接近,三种质量比立管的响应位移较接近;在高约化速度区域,三种质量比的立管模型的响应频率处于自振频率和涡脱落频率之间,但空管的响应频率随约化速度的增大而不断增大,同一流速下,质量比大的立管模型响应位移小,其中空管的涡激振动响应一直处于大振幅的锁定状态下.共振区域对应约化速度的范围随着质量比增大而减小.     

基于OrcaFlex的钢悬链立管疲劳损伤预报

涡激振动是钢悬链立管疲劳损伤的重要诱导因素之一,因此涡激振动分析在钢悬链立管设计中占据重要地位。OrcaFlex在海洋工程领域功能强大、应用广泛,能够提供两种涡激振动疲劳损伤预报方法,分别是基于模态叠加法的频域预报方法和基于Iwan-Blevins尾流振子模型的时域预报方法。OrcaFlex的涡激振动时域预报模型只考虑了横流向涡激振动造成的疲劳损伤,基于OrcaFlex的时域预报方法开发了双自由度涡激振动尾流振子模型的接口,考虑了浮式平台运动对钢悬链立管的涡激振动激励作用,实现了钢悬链立管双自由度涡激振动疲劳损伤预报。     

Experimental study and numerical simulation on vortex-induced vibration of flexible riser

In order to study the effect of internal flow on vortex-induced vibration of flexible riser, the experiment on the vortex-induced vibration of flexible riser transporting fluid in the current was conducted in the physical oceanography laboratory of Ocean University of China. Considering the internal flowing fluid and external marine environment, the dynamic response of the flexible riser was measured. The corresponding numerical simulation was performed using the wake oscillatory model considering the extensibility of the riser system. Both the experiment and the numerical simulation indicated that with the increase of internal flow speed, the response amplitude increases, while the response frequency decreases.     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

并列双圆柱涡激振动的经验性模型研究

建立一种新的预报并列双圆柱涡激振动响应的经验性模型,根据特定间距比条件下旋涡脱落频率出现分支的现象,提出以两个具有不同固有频率的尾流振子来共同描述结构的近壁尾涡动力特性,同时两个振子均满足van der Pol方程,进而得到结构振子和流体振子的耦合方程组。使用该模型分别对中高质量比和低质量比的并列圆柱涡激振动问题进行数值计算,结果表明,结构的位移响应和最大振动幅值等变化规律与实验结果趋势一致,数值基本吻合。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

基于Newton法优化ARMA模型参数的船舶升沉运动预测研究

为解决波浪补偿系统中时延现象导致的控制性能下降问题,通过建立Newton-ARMA模型提前预测船舶升沉运动来消除时延现象。首先设计卡尔曼滤波器对船舶升沉运动加速度信号进行降噪滤波处理;然后使用加速度二次积分模块将加速度信号转换为位移信号;最后建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并使用牛顿(Newton)法对模型参数进行优化,得到船舶升沉运动的Newton-ARMA预测模型。仿真结果表明,Newton-ARMA模型对船舶升沉运动的预测时间可达10 s,预测误差随着预测时间的增加而增大; Newton-ARMA模型对二级海况、三级海况和四级海况下的船舶升沉运动平均预测精度分别达到89.43%、88.53%以及87.78%,远高于ARMA模型对船舶升沉运动预测的精度,说明采用Newton法优化ARMA模型参数可以显著提高船舶升沉运动的预测精度,也即Newton-ARMA模型对控制波浪补偿系统时延具有较好的补偿效果。     

基于能量平衡的跨海桥梁钢管桩局部冲深计算

综合国内外现有研究成果,分析了桩周流场结构及局部冲刷坑的分布形态,通过三维数值模拟,验证了局部冲刷最大值点出现在桩前,且冲坑坡度近似等于泥沙水下休止角的结论。从国内外规范内局部冲深计算公式中筛选出跨海桥梁钢管桩局部冲刷深度的主要影响因素。基于能量平衡理论,通过来流水流搬运冲刷坑内泥沙过程中的能量守恒,推导了概念清晰、形式简单的局部冲刷深度预测公式。区别于现有多数公式主体结构,该公式为关于局部冲深的一元三次方程,通过水下泥沙休止角来考虑泥沙对冲刷的影响以及冲刷过程中冲刷坑自身深度及范围变化对冲刷产生的影响。利用最小二乘法,结合环杭州湾区域三座跨海大桥的试验及实测数据拟合确定了公式相关参数,并与国内外规范内的公式对比验证,结果表明,该公式精度较高,可为实际工程计算分析提供参考。     

潮流发电水轮机基于动量定理的性能计算方法研究

以潮流发电水轮机的设计为研究背景,分析和总结了基于动量定理方法的四种流管模型(单盘面-单流管模型、双盘面-单流管模型、单盘面-多流管模型和双盘面-多流管模型)在竖轴变攻角水轮机的水动力性能计算中的应用,特别是能量利用率预报方面的应用。说明基于动量定理的模型在求竖轴变攻角潮流发电水轮机的水动力性能方面,能够预报一些定性特性和总体趋势,为水轮机的设计和计算提供一种初步方法。     

基于机器学习的海洋环境预报订正方法研究

结合中尺度数值模式WRF预报数据和ERA5再分析资料,利用机器学习方法对WRF预报场的风场、温度、气压进行预报订正。采用ERA5作为真值,与原始WRF预报相比,利用随机森林模型可以将预报结果整体均方根误差降低44%以上,利用深度神经网络模型可以将预报结果整体均方根误差降低34%以上。通过随机森林模型实验得到不同输入特征对预报要素的影响程度,分析了关键的预报订正因子。     

摆式波能转换装置水动力特性频域分析

基于势流理论,建立波浪与摆式波能转换装置作用的三维频域分析模型。应用数值模型对两种质量的摆式波能转换装置进行水动力分析,在考虑粘性阻尼作用的条件下,计算传动系统的最优扭阻系数。在最佳工况下,开展了波浪频率对摆板运动响应和俘获能量影响的系统研究,给出了波浪最佳频率范围、摆板振幅、能量俘获效率以及摆板表面的波动压强。