基于嵌套网格方法的双圆柱流致振动分析

论文摘要

海洋立管作为连接海上工作平台和海底设备的装置,是海洋工程中不可或缺、难以替代的一部分。随着海洋工程逐渐向深海进发,海洋立管的长径比也不断增加,使其变得更加“柔软”。在海水的作用下海洋立管在顺流方向上更易产生形变进而引发立管发生涡激振动。当立管的振动频率与旋涡脱落频率接近时,立管振幅会显著增加,造成海洋立管的疲劳损伤,威胁到海洋工程的稳定性甚至安全性。因此,对海洋立管涡激振动的诱发因素、作用机理进行深入研究,进而提出有效的抑制措施具有非常重要的理论意义及实用价值。本文基于嵌套网格技术,对并列、串列和错列布置双自由度双圆柱流致振动现象进行了数值模拟研究;提出了将双圆柱刚性连接以削弱双圆柱振动的抑制措施,得到了并列、串列和错列布置双自由刚性连接双圆柱的流致振动响应特性,并将结果与无抑制措施的双圆柱流致振动响应进行对比分析,得到以下结论:并列双圆柱运动轨迹成对称分布;双圆柱升阻力时程曲线及尾涡脱落模态基大都呈周期性变化,表现出明显的“流动翻转”现象;双圆柱尾涡结构较为复杂。串列双圆柱运动轨迹大都成“8”字形,下游圆柱横流方向的振幅随着折减速度增加不断增大;当折减速度U~*≤7时,双圆柱升阻力时程曲线近似成正弦波动;随着折减速度的增大,双圆柱升阻力时程曲线呈现出多频振动;双圆柱尾涡结构较为简单,上游圆柱两侧分离的剪切层会附着于下游圆柱表面,不会单独脱落。随着折减速度的增加,错列双圆柱的运动轨迹会分别由椭圆形和“月牙”形转变为“月牙”形和“水滴”形,双圆柱的升阻力时程曲线也会由近似正弦振动转变为多主频多周期振动;上游圆柱尾涡结构较为稳定。刚性连接能较大程度上抑制双圆柱的振动,在大部分工况下均能得到较好的抑制效果。当折减速度U~*≤6时,并列刚性连接双圆柱振幅及升阻力系数均比较小,随着折减速度的增加,两圆柱振幅和升阻力系数大幅增加,两圆柱横流方向振幅达到1.19D;两圆柱尾涡结构较为稳定。串列刚性连接双圆柱抑制效果最佳,两圆柱振幅显著降低;升阻力系数波动较小;尾涡结构非常稳定,当折减速度U~*≤7时两圆柱没有形成明显的尾涡。错列刚性连接双圆柱抑制效果较好,当折减速度U~*≤8时两圆柱振幅明显降低;当折减速度U~*=9和10时,两圆柱振幅介于错列双圆柱振幅之间;错列刚性连接双圆柱升阻力系数没有明显波动;上游圆柱的尾迹区较为狭长,尾涡结构稳定。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 单圆柱流致振动研究现状
•     1.2.2 双圆柱流致振动研究现状
•     1.2.3 流致振动控制措施
•   1.3 本文研究内容
• 2 物理模型及数值计算方法
•   2.1 物理模型
•   2.2 基本控制方程
•     2.2.1 流体动力学方程
•     2.2.2 振动方程
•     2.2.3 量纲分析
•   2.3 嵌套网格技术
•     2.3.1 嵌套网格介绍
•     2.3.2 网格预处理
•   2.4 数值方法及模型验证
•     2.4.1 计算区域及网格划分
•     2.4.2 数值结果验证
• 3 并列双圆柱双自由度流致振动
•   3.1 引言
•   3.2 计算区域及网格划分
•   3.3 并列双圆柱动力特征
•     3.3.1 振幅响应
•     3.3.2 升阻力系数
•   3.4 尾涡结构
•     3.4.1 并列双圆柱尾涡结构
•     3.4.2 并列刚性连接双圆柱尾涡结构
•   3.5 本章小结
• 4 串列双圆柱双自由度流致振动
•   4.1 引言
•   4.2 计算区域及网格划分
•   4.3 串列双圆柱动力特征
•     4.3.1 振幅响应
•     4.3.2 升阻力系数
•   4.4 尾涡结构
•     4.4.1 串列双圆柱尾涡结构
•     4.4.2 串列刚性连接双圆柱尾涡结构
•   4.5 本章小结
• 5 错列双圆柱双自由度流致振动
•   5.1 引言
•   5.2 计算区域及网格划分
•   5.3 错列双圆柱动力特征
•     5.3.1 振幅响应
•     5.3.2 升阻力系数
•   5.4 尾涡结构
•     5.4.1 错列双圆柱尾涡结构
•     5.4.2 错列刚性连接双圆柱尾涡结构
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
•   A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
•   B 作者在攻读硕士学位期间发表的专利目录
•   C 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目
•   D 学位论文数据集
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邹瑞

导师: 丁林

关键词: 嵌套网格,双自由度,流致振动,刚性连接,振动控制

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学,海洋学

单位: 重庆大学

分类号: P756.2;O353.1

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001430

总页数: 70

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