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1、第25卷第1期中國(guó)海洋平臺(tái)V01．25No．12010年2月CHINA0FFSHOREPLATF()RMFeb．，2010文章編號(hào)：1001—4500(2010)01—0026一06O立管渦激振動(dòng)的離散渦數(shù)值模擬陳(1．大連理工大學(xué)，大連116023；偉1’2，宗智1’22．工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116023)摘要：通過(guò)離散渦方法求解立管所受渦激升力，并與立管動(dòng)力響應(yīng)方程相耦合來(lái)對(duì)渦激振動(dòng)問題進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的數(shù)值模擬。通過(guò)在均勻來(lái)流和剪切來(lái)流下的模擬，所得的結(jié)論與其他文獻(xiàn)中的結(jié)論比較吻合，
2、較好地揭示了立管渦激振動(dòng)的特征。關(guān)鍵詞：立管；渦激振動(dòng)；離散渦方法；CFD中圖分類號(hào)：0327。P751文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ANumericalSimulationofVortex—InducedVibrationforRisersbyDiscreteVortexMethodCHENWeil一，ZONGZhil，2(1．DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China；2．StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndu
3、strialEquipment，Dalian16023，China)Abstract：Discretevortexmethodisusedtocalculatetheliftingforceinducedbythevor—texsheddingfromthestructure．Theresultswillcouplewiththeriserdynamicresponseequa—tiontorealizeanumericalsimulationofVIVintimedomain．Someconclu
4、sionsaregotaftersimulatingtheVlVphenomenonof“serunderuniformflowandshearflow，thentheycom—paredwithotherliteratureS，conclusionsshowagoodagreement，andtheVIVcharacteristicsofriserarerevealedbetter．Keywords：riser；Votex—lnducedVibration；discretevortexmethod
5、；CFD引言立管是海洋結(jié)構(gòu)物不可或缺但又十分薄弱的子系統(tǒng)。在海洋洋流環(huán)境下，立管結(jié)構(gòu)由于發(fā)生泄渦而產(chǎn)生的渦激振動(dòng)會(huì)縮短結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的破壞。渦激振動(dòng)問題是流體力學(xué)中復(fù)雜的問題之一，一直困擾著學(xué)術(shù)、工程界【1J。對(duì)立管的渦激振動(dòng)研究可分為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等兩方面研究。前者主要集中在模型試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)因花費(fèi)巨大而很少進(jìn)行；后者因借助于計(jì)算能力的飛速發(fā)展而多有進(jìn)行。但目前全三維的數(shù)值模擬仍不可行。關(guān)于渦激振動(dòng)的諸多計(jì)算方法，可見文獻(xiàn)[2]。本文采用離散渦方法(DVM)求解N—S方程，DVM方
6、法將速度與壓力表示的控制方程轉(zhuǎn)變?yōu)闇u量場(chǎng)來(lái)求解，減小了計(jì)算區(qū)域，具有不依賴于計(jì)算網(wǎng)格等優(yōu)點(diǎn)，較適合高雷諾數(shù)條件下的流場(chǎng)計(jì)算口]。離散渦方法至今在提高精度和計(jì)算效率方面已有很大的改進(jìn)，在工程領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用n]。立管結(jié)構(gòu)尺度比很大，對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)值模擬目前還不現(xiàn)實(shí)。本文借助船舶水動(dòng)力計(jì)算的切片思路，沿立管長(zhǎng)度方向取若干個(gè)水動(dòng)力剖面，在這些剖面上進(jìn)行二維流場(chǎng)求解，同時(shí)與立管的動(dòng)力響應(yīng)方程相互耦合收稿日期：2009一08—19；修改稿收到日期：2009—10一30作者簡(jiǎn)介：陳偉(1985一)，男，碩士研究
7、生，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造工作。第1期陳偉等立管渦激振動(dòng)的離散渦數(shù)值模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)立管結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)模擬。1離散渦方法介紹以渦量叫和流函數(shù)咖表示的二維不可壓縮非定常粘性流動(dòng)的控制方程為嘗=口v2c￡，(1)D￡??△≯一一cc，(2)式中口為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。離散渦方法將連續(xù)的渦量場(chǎng)離散，把離散的渦元視為粒子，在拉格朗日框架內(nèi)離散求解上述控制方程。Chorin提出算子分裂法Ⅲ來(lái)處理考慮粘性時(shí)的(1)式，將其分為對(duì)流和粘性擴(kuò)散2個(gè)部分：對(duì)流部分：粵一一V·v∞(3)V2驢一一(c，粘性擴(kuò)散部分：
8、宴一口v2山(4)對(duì)于(3)式的求解即為不考慮粘性時(shí)渦元粒子之間的相互誘導(dǎo)，而(4)式的解與隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的解相同，可以采用隨機(jī)走位法來(lái)求解。離散渦方法主要分為物面渦的生成、渦元的對(duì)流和擴(kuò)散、渦元的消除和融合、物體受力計(jì)算等幾個(gè)方面，其具體列式和步驟可參考文獻(xiàn)[6，7]。2立管模型考慮軸向變形時(shí)立管的控制方程可寫為‘8]等c口孥，一Tcy，孥一訓(xùn)考一，c5，EA烏學(xué)一q(6)dV。式(5)中：研是立管的彎曲剛度；丁是作用在管壁的軸向張力；硼是單位長(zhǎng)度立管的重量(包括內(nèi)部
