近壁面強迫振蕩圓柱水動力特性研究.pdf

1、海底管道被廣泛應(yīng)用于海底油氣的運輸。但由于海底環(huán)境的不平整或是沖刷作用等原因都可能在海底管道與海底之間產(chǎn)生一定的間隙,從而發(fā)展成懸跨管道。懸跨的出現(xiàn)使其在海流作用下形成周期性的漩渦,漩渦的交替脫落會使物體表面的壓力呈周期性的變化,繼而導(dǎo)致管道在垂直流向(Cross-Flow,簡稱 CF)和順流向(In-Line,簡稱 IL)發(fā)生振動,而管道的振動反過來又會改變尾渦結(jié)構(gòu),這種流固耦合的現(xiàn)象稱之為渦激振動(Vortex-Induced Vi

2、bration,簡稱 VIV)。渦激振動是決定海底管道的使用壽命、引發(fā)懸跨疲勞失效的主要原因之一。關(guān)于懸跨海底管道渦激振動的問題,可以簡化為均勻來流下靠近壁面的振蕩圓柱水動力特性問題?，F(xiàn)有的關(guān)于海底管道水動力特性的研究主要是針對靜止圓柱,但當(dāng)渦激振動發(fā)生時,管道水動力特性將會發(fā)生變化,而關(guān)于近壁面振蕩圓柱水動力特性的研究則十分稀少。此外,現(xiàn)有的用于預(yù)報立管渦激振動的水動力系數(shù)數(shù)據(jù)一般都是由自由邊界圓柱強迫振蕩試驗得到的,缺少用于預(yù)報海底

3、管道的渦激振動的水動力系數(shù)。因此本文中所進(jìn)行的關(guān)于近壁面強迫振蕩圓柱水動力特性研究對于了解海底管道的水動力特性以及對其渦激振動的預(yù)報均有十分重要的意義。
　　本文基于上述需求,對均勻來流時不同間隙比下垂直流向強迫振蕩光滑圓柱的水動力特性進(jìn)行了研究,詳細(xì)分析了各水動力系數(shù)隨間隙比、振蕩頻率和振幅變化的規(guī)律,并進(jìn)行了高雷諾數(shù)下圓柱繞流的數(shù)值模擬。主要內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下；⑴對國內(nèi)外關(guān)于渦激振動的研究方法以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié),分析了圓柱

4、繞流泄渦機理,詳細(xì)闡釋了與渦激振蕩相關(guān)的關(guān)鍵物理參數(shù)及若干物理概念,回顧了對圓柱繞流相關(guān)水動力特性的影響因素。⑵設(shè)計并完成了均勻來流下光滑圓柱垂直流向強迫振蕩試驗,分析了雷諾數(shù)、間隙比、振蕩頻率和振幅變化對圓柱水動力特性的影響,此外還分析了高階水動力在總體升力和阻力中所占比重以及其影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：在亞臨界區(qū)域內(nèi)使用低 Re數(shù)自由邊界圓柱強迫振蕩試驗數(shù)據(jù)來預(yù)報實際海洋環(huán)境下的立管渦激振動是合理的；近壁面的存在對強迫振蕩圓柱的水動力

5、特性會產(chǎn)生較大的影響,通過自由邊界圓柱強迫振蕩試驗所得到的水動力系數(shù)不能直接用于預(yù)報海底管道的渦激振動；自由邊界和近壁面圓柱在進(jìn)行強迫振蕩時,其平均阻力系數(shù)、振蕩阻力系數(shù)和振蕩升力系數(shù)均隨無因次振幅A/D的增加而增大；在近壁面圓柱強迫振蕩試驗中,高階振蕩升力和阻力系數(shù)幅值均較小,但其在小間隙比以及低頻率區(qū)域時所占比重仍然相當(dāng)可觀,不容忽視。⑶使用URANS方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型結(jié)合加強壁面處理方法在Re=1×105,5×105和1×106