基于非定常流对深海立管附加质量与流体阻尼的影响研究

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1、中图分类号：TE95单位代码：11414学号：2013214007题目基于非定常流对深海立管附加质量与流体阻尼的影响研究学科专业机械工程研究方向海洋石油装备工程硕士生郭中云指导教师段梦兰教授入学时间：2013年9月论文完成时间：2016年5月硕士学位论文独创性声明郑重声明：本硕士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰与的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所

2、使用过的材料。对本研宄做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后承担相应责任。作者签名：导师签名：Ｌ日．ｂ％硕士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使腦有关贼，使财碰麵不卩肝：学校有總酣贿关如概构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部雜分赠，可以細獅、膨卩或扫描等麵手段赫和汇编学位论文；可以将本学位论文的

3、全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限０年，解密后适用本授权书。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必臟得导师书面同意一，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。作者签名：－：—日期ＭＬＬＰｒ导师签名：日．Ｌ＾ｒ－－Ｉ摘要摘要立管涡激振动的预报模型中有大量的系数需要通过实验或经验来获得，附加质量系数和流体阻尼系数是其中的重要参数。在计算涡激振动中，这些参数将对最终预报结果产生非常重要的影响，而学者之前对于立管模型的

4、附加质量系数和流体阻尼系数的设定研究不够系统和深入。本文将通过理论推导和数值模拟研究来获得影响立管类模型流体阻尼和附加质量系数的参数，以此能更加准确地进行涡激振动模型预报。本论文将从以下几方面进行展开：首先，分析附加质量与流体阻尼的概念及产生原因，并调研国内外相关研究文献，从中总结出影响附加质量系数与流体阻尼系数的参数模型。引出系统结构阻尼概念，并提出涡激振动中的立管模型同时受到结构阻尼和流体阻尼的双重作用，并归纳求解结构阻尼方法。然后，建立立管涡激振动模型。通过ANSYS和CFX平台搭建流固耦

5、合数值模拟模型，验证模型的可靠性。单自由度下验证升力曲线、拖曳力曲线的振动频率关系、以及斯托雷哈数（St）的数值；双自由度下验证不同约化速度下顺流向和横流向的振动位移关系以确定振动模型的可靠性。在确定模型可行情况下，设计*24种不同约化速度（Ur）工况、13种不同质量比（M）工况和12中不同雷诺数（Re）工况，以推导三种参数与附加质量系数之间的关系式。其次，在同样数值模拟模型下，通过设置流体域介质为空气（空气粘度系数小，计算结构阻尼时可忽略不计）并结合自由衰减法得到系统结构阻尼；而将流体域介质设

6、置为水后，通过改变流体粘度系数得到不同雷诺数下的流体阻尼。最后，研究变化的附加质量系数与流体阻尼值对涡激振动的影响，包括对频率比f*、斯特罗哈数St、和立管真实振动频率。结果表明，变化的附加质量系数会使立管振动频率f*和斯特罗哈数St小于理论值；受雷诺数影响下的流体阻尼会[39]小于文献的结论值。关键词：涡激振动；附加质量系数；流体阻尼；数值模拟-II-ABSTRACTTheaddedmassandfluiddampingoftheriseronunsteadyflowABSTRACTInthe

7、predictionofvortexinducedvibration(VIV),alargenumberofcoefficientsneedtobeobtainedbyexperimentandexperience,suchastheaddedmasscoefficientandfluiddamping.Inthepast,theresearchontheaddedmassandfluiddampingoftherisermodelisnotsystematic,buttheseparamete

8、rswillhaveaveryimportantimpactonthefinalresultsprediction.InordertogetanaccuratepredictionoftheVIVmodel,thetheoreticalderivationandnumericalsimulationaremadetoobtaintheparametersthataffecttheaddedmassandthefluiddamping.Andthispaperwillbecarriedoutfro