平台垂荡作用下顶张力立管涡激振动数值分析

论文摘要

海洋油气资源开发技术长期受到大量专家学者的广泛关注。作为海洋油气生产系统的重要部分之一,海洋立管是连接海面平台与海底井口的重要通道,也是平台结构中最薄弱的环节之一。海洋立管在海洋环境载荷作用下,可能会出现涡激振动现象。随着浮式平台的大量采用,顶端平台具有相对较大的运动幅度。平台运动会对立管自身的涡激振动特性产生较大影响。本文从平台垂荡运动入手,在课题组基于开源CFD平台OpenFOAM自主开发的viv-FOAM-SJTU求解器基础上引入平台垂荡运动的影响,对顶张力立管的涡激振动响应进行数值分析工作。本文首先对课题组已有的viv-FOAM-SJTU求解器进行扩展,引入平台垂荡的影响。本文将平台垂荡转化为随时间变化的轴向张力,并假设顶张力随时间以正弦形式变化,通过垂荡幅值、垂荡频率和初始相位角三个参数定义轴向张力的变化情况。完成对求解器的扩展之后,本文选取三个标准模型试验,设置与试验相同的工况进行计算。计算结果与试验吻合良好,验证了求解器的准确性。之后,本文选取典型变张力工况,并通过等效原理选取对应的两个恒定张力工况,分别进行数值模拟,分析立管振动位移、频率成分和振动模态等特性的变化情况,并分别对顺流向和横流向的位移和曲率指标进行结果对比。结果表明,平均位移和平均曲率主要取决于预张力大小,而位移标准差和曲率标准差则决定于平台垂荡。最后,本文对所研究问题进行参数分析,讨论垂荡幅值和垂荡频率对立管涡激振动的影响。结果表明,平台垂荡显著增强了立管自身涡激振动。振动幅值随垂荡幅值的增大而增大,且平台垂荡的影响随流速的增大而逐渐减弱。平台低频垂荡可直接控制立管顺流向振动频率,立管呈现出明显的周期性振动,明显放大振动位移。高频激励一定程度上可抑制位移幅值,但会显著放大立管曲率,加剧疲劳损伤的影响。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 柔性立管涡激振动研究现状
•     1.2.2 平台垂荡作用下顶张力立管涡激振动试验研究现状
•     1.2.3 平台垂荡作用下顶张力立管涡激振动数值分析研究现状
•   1.3 本文主要工作
•   1.4 本文主要特色
• 第二章 数值方法
•   2.1 viv-FOAM-SJTU求解器介绍
•     2.1.1 求解器主要模块及计算流程
•     2.1.2 求解器各部分基本数值方法
•   2.2 平台垂荡作用的引入方法
•     2.2.1 变张力模型介绍
•     2.2.2 施加变张力后结构物的固有频率变化
•     2.2.3 求解器程序扩展
•   2.3 本章小结
• 第三章 标准模型与程序验证
•   3.1 标准模型一:直接对顶端施加垂向位移
•   3.2 标准模型二:对顶端施加轴向变张力
•   3.3 标准模型三:恒定张力盲测试验
•   3.4 本章小结
• 第四章 考虑平台垂荡的立管涡激振动数值模拟
•   4.1 计算模型
•   4.2 考虑平台垂荡的典型工况分析
•   4.3 变张力与恒定张力结果对比
•   4.4 本章小结
• 第五章 不同垂荡幅值作用下顶张力立管涡激振动
•   5.1 计算模型
•   5.2 不同垂荡幅值作用下结果对比
•   5.3 不同垂荡幅值振动成分分解
•   5.4 不同来流速度工况结果对比
•   5.5 本章小结
• 第六章 不同垂荡频率作用下顶张力立管涡激振动
•   6.1 计算模型
•   6.2 统计结果对比
•   6.3 振动模态转换现象
•   6.4 不同垂荡频率振动成分分解
•   6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
•   7.1 全文结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王哲

导师: 邹璐

关键词: 涡激振动,平台垂荡运动,计算流体力学,求解器

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 上海交通大学

分类号: P756.2

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001707

总页数: 111

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