海洋立管渦激振動機理與預(yù)報方法研究

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1、y981751i申請上海交通大學(xué)博士專業(yè)學(xué)位論文海洋立管渦激振動機理與預(yù)報方法研究＼博士生：潘志遠護眵矛fsp---O護／導(dǎo)師：崔維成教授專業(yè)：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院2005年12月一l：海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要由于國際上海洋石油工業(yè)向深水推進，以立管為代表的海洋結(jié)構(gòu)物的渦激振動問題重新受到人們的關(guān)注。圓柱狀海洋立管會在洋流的作用下產(chǎn)生瀉渦，在一定條件下，瀉渦誘發(fā)的交變流體力會引發(fā)結(jié)構(gòu)的大振幅響應(yīng)，從而降低海洋立管的疲勞壽命。如果能夠?qū)Σ痪鶆蚝Ｑ蟓h(huán)境中海洋結(jié)構(gòu)物的渦激振動響應(yīng)特性做出準確的預(yù)報，將能夠大大降低其造價。本

2、文作為國家自然科學(xué)基金專項基金項目“深海平臺的動力特性研究”(項目編號：50323004)的組成部分，旨在深入理解圓柱狀海洋立管的渦激振動機理，并據(jù)此建立更加合理的渦激振動預(yù)報模型。本文跟蹤了國外的有關(guān)圓柱體及海洋立管渦激振動問題的最新研究動向，對一系列熱點問題開展了深入的研究。內(nèi)容涉及均勻水流當(dāng)中圓柱體的橫向振蕩及瀉渦的數(shù)值模擬、圓柱體自激振蕩與受迫振蕩關(guān)系的研究與討論、低質(zhì)量比圓柱體渦激振動預(yù)報模型的建立，以及細長柔性海洋立管在分布流作用下的渦激振動預(yù)報。論文深入分析了一系列與圓柱體及海洋立管渦激振動有關(guān)的重要物理參數(shù)，利用數(shù)值模擬工具以及理論模型，合

3、理地再現(xiàn)與分析了眾多與圓柱體渦激振動相關(guān)的物理現(xiàn)象。論文的主要內(nèi)容可以歸納為以FJL個方面：1、系統(tǒng)歸納與評述了以往圓柱體以及海洋立管渦激振動的機理研究。深入闡釋了與圓柱體渦激振蕩相關(guān)的關(guān)鍵物理參數(shù)及若干物理概念。全面總結(jié)了現(xiàn)有的各種立管渦激振動預(yù)報模型。2、詳細比較了兩類圓柱體渦激振動的機理實驗，即自激振蕩實驗與受迫振蕩實驗各自的特點與兩者的聯(lián)系。從對實驗現(xiàn)象與數(shù)值模擬結(jié)果的比較分析入手，在各個方面剖析了兩類機理實驗研究的異同，包括流體力幅值與相位信息、圓柱體運動響應(yīng)方式及隨機特性、圓柱體與流體之間的能量平衡與轉(zhuǎn)移、尾流漩渦形式等。3、利用RANS方法結(jié)

4、合一定的網(wǎng)格策略模擬了水流當(dāng)中圓柱體橫向自激與受迫振蕩。數(shù)值模擬成功地再現(xiàn)了一系列物理現(xiàn)象，如雙頻差拍振動、鎖定以及鎖定的解除、遲滯現(xiàn)象等。采用SSTk—m湍流模型模擬得到2P模式的尾流漩渦與最新的實驗結(jié)果吻合得相當(dāng)好。4、本文建立了彈性支撐圓柱體在均勻來流作用下的渦激振動預(yù)報模型。從能量的角度，該模型成功地溝通了兩類渦激振動機理實驗——圓柱體的自激振蕩與受迫振蕩實驗。該模型的流體力系數(shù)來源于圓柱體的受迫振蕩實驗，卻可以利用這一模型預(yù)上海交通大學(xué)博：I：學(xué)位論文摘要報彈性支撐低質(zhì)量比圓柱體的自激振蕩特性。利用本文的模型，合理地解釋一系列關(guān)于圓柱體渦激振動機

5、理研究的熱點問題，如最大響應(yīng)振幅的決定因素、鎖定頻率與鎖定區(qū)間、遲滯現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象的正確理解與預(yù)報是理解低質(zhì)量比柔性海洋立管的渦激振動響應(yīng)特性的基礎(chǔ)。5、將低質(zhì)量比圓柱體渦激振動預(yù)報模型進行擴展，并吸取國外研究的成功經(jīng)驗，建立了適于預(yù)報與分析變參數(shù)細長柔性海洋立管的渦激振動預(yù)報模型。該模型首次將變參數(shù)細長柔性梁的有限元模態(tài)計算與渦激振動分析結(jié)合在一起。為了驗證模型的有效性，選取了近期立管渦激振動實驗結(jié)果進行了校核。結(jié)果顯示，本文模型合理地反映出附加質(zhì)量效應(yīng)對低質(zhì)量比細長柔性立管模態(tài)振型與模態(tài)頻率的影響。論文創(chuàng)新性貢獻體現(xiàn)在以上所述2～5所述的內(nèi)容當(dāng)中。通

6、過本文的研究工作可以得出如下有價值的結(jié)論：l、對低質(zhì)量一阻尼因子圓柱體的渦激振動響應(yīng)出現(xiàn)的上端分支，首次給出了合理解釋，而這一解釋來源于對數(shù)值模擬結(jié)果與實驗現(xiàn)象的比較與分析。實驗當(dāng)中出現(xiàn)的上端分支與下端分支的切換，原因如下：系統(tǒng)位于上端分支時，流體力相位發(fā)生驟變，同時軸向相關(guān)降低，因此流體力的隨機特性明顯；而隨機特性又隨著質(zhì)量一阻尼因子的降低得到了進一步的放大：在此區(qū)問如果用最大響應(yīng)幅值來反映振幅響應(yīng)，則會表現(xiàn)為上端分支。在數(shù)值模擬當(dāng)中，RANS方法消除了流體的隨機擾動，因此響應(yīng)幅值在鎖定區(qū)間變化平穩(wěn)。進一步的圓柱體自激振蕩實驗研究應(yīng)該更合理地反映隨機擾動

7、的影響。而平均響應(yīng)振幅能夠反映系統(tǒng)總體的能量平衡狀態(tài)，較之最大響應(yīng)幅值更有參考意義。上述結(jié)論對未來的實驗研究與數(shù)值模擬有著重要的參考價值。2、首次利用RANS方法，溝通了圓柱體自激振蕩與受迫振蕩尾流漩渦模式。指出無論是受迫振蕩還是自激振蕩，圓柱體的尾流漩渦模式在相同的平均振幅的情況下，主要取決于與實際振蕩頻率有關(guān)的折合頻率，此外，還與圓柱體運動響應(yīng)的歷史狀態(tài)有關(guān)。而由于存在隨機擾動的影響，這方面的實驗研究存在著相當(dāng)?shù)睦щy。3、通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析與理論模型的驗證工作，本文發(fā)現(xiàn)需要重新理解若干有關(guān)渦激振動的物理現(xiàn)象及物理概念。首先，彈性支撐圓柱體的“鎖定

8、”，并不意味著其振蕩頻率鎖定到結(jié)構(gòu)固有頻率上，正確的理解是瀉渦頻率