二维圆柱与弹性立管涡激振动的数值模拟

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1、-------摘要摘要深水海洋平台承受复杂的海洋环境动力，海洋立管作为平台和海底进口 的之间的主要构件，同时也是非常薄弱易损的构件之一。一定速度的海流和 波浪流经立管时，会在其两侧形成交替脱落的旋涡，旋涡的脱落将对立管产 生一个周期性的交变力，使得管道产生涡激振动，管道的振动反过来又对流 场产生影响，使得旋涡增强。当旋涡脱落频率和立管自振频率接近时，旋涡 的泻放将被结构的振动所控制，发生“锁频”现象，引起立管的剧烈振动， 从而造成疲劳破环。计算流体动力学(CFD)在航空航天领域的成功应用吸引了越来越多其它领域的工程及分析人员。在土木工程界，就有人提出“

2、数值风洞”和“数值水池”等概念。本文正是基于流体通用软件FLUENT，对刚性圆柱绕流及 其涡激振动进行了CFD模拟：1、模拟刚性圆柱绕流，得到工程中感兴趣的参数，如升力系数、阻 力系数、Strouhal数等，并与经典试验值或计算值进行了比较，初步验证模 型准确性，也为后面的分析提供一定的数据。2、利用FLUENT中的滑移网格和动态层铺(DynamicLayering)模型， 通过UDF接口编程嵌入结构动力响应计算的Newmark-β代码，建立刚性圆 柱涡激振动的计算模型。3、通过对规划的几组不同工况的模拟，定性定量分析了结构阻尼比ζ对于圆柱涡激振动横向

3、位移及其均方根的线性影响和固流质量比m*的非线性影响。尽管有很多的学者对圆柱绕流及其涡激振动进行了理论或者试验分析，但是到目前为止，还没有完全解决这样难题。由于受到CFD模拟技术或者计算资源等的限制，利用现有的一些数学模型对海洋立管的涡激振动进行非CFD三维模拟还是一个不错的选择。本文最后就基于改进的vanderPol尾流振子模型，分析了影响受顶张力的弹性海洋立管涡激振动的几个参数，如顶张力、环境流速等。关键词海洋立管；涡激振动；计算流体动力学；圆柱绕流；动网格-I------------哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractOceanplat

4、formssuffercomplexmarineenvironmentaldynamics.Marine risers,whicharevulnerabletodamage,arethemaincomponentstolinkupper platformandwellmouthsontheoceanfloor.Nowadaystheyarebeingpaidlots ofattentionbecauseofthefollowingreasons:astheflowoverariserwithina certainReynoldsnumberregime

5、,therearepairsofvorticessheddingbehindit alternately,therewithafluctuantliftforceisappliedtoit.Fromtheviewoffluid dynamics,themovingofriserchangestheflowfieldaroundit,andthenthelift forcechanges,soonandsoforth.Thatisvortexinducedvibration(VIV),akind offluid-structureinteraction(

6、FSI).VIVcanbringfatiguebreakageonrisersfor theperiodicalaction.CFDattractsmoreandmorenon-aeronauticresearchersandtechnologists’ interestsasithasbeingappliedinthisareamostsuccessfully.Forexample,there “numericalwindtunnel”and“numericalflume”areproposedincivilengineering. Basedont

7、heplatformoffluidsoftwareFLUENT,wesimulatedflowovera2D rigidcircularcylinder(FOCC)andthenitsVIV,flowingworkinvolved:1.DidFOCCtoaccesssomeinterestedparameters,suchasliftanddrag coefficients,Stetal.Theywerecomparedwithclassicexperimentalandnumericaldatatovalidatethemodelprimarily.

8、2.Byusingslidingmesh(SM)anddynamiclayering(DL)m