海洋内孤立波中顶张力立管的动力响应研究.pdf

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1、2017年№3海洋内孤立波中顶张力立管的动力响应研究姜海。郭海燕+。赵婧，张林。王伟(中国海洋大学工程学院，山东青岛266100)摘要：基于商业软件Fluent，建立大振幅海洋内孤立波数值水槽，获取内孤立波波致水平流速和水平加速度沿垂向的分布，结合改进的Morison公式，计算内孤立波对立管的作用，采用有限单元法在时域中对内孤立波作用下顶张力立管的动力响应进行数值模拟，并就顶张力大小、内流密度、内孤立波振幅对立管动力响应的影响进行探讨。结果表明，内孤立波对顶张力立管产生强剪切作用，使立管发生较大变形，产生较高应力，并在波谷到达时刻出现最大位移和应力，立管上层流体部分的位移和应力明显大于下

2、层流体部分的位移和应力。关键词：内孤立波；数值水槽；Morison公式；顶张力立管；动力响应中图分类号：0353．2文献标志码：A文章编号：1003—6482(2017)03一060—08引言海洋立管上端连接海面浮式结构，下端连接海底井口，是海洋油气资源勘探开发中必不可少的系统。整根立管几乎完全暴露于复杂的海洋环境中，经受各种复杂荷载的考验。我国南海内孤立波活动频繁，分布范围广泛[1]，研究内孤立波与海洋立管相互作用对于南海油气田的开发有着重要意义。在内孤立波与海洋结构物作用方面，蔡树群等[21结合KdV理论，第一次引人Morison公式来计算内孤立波对小直径圆柱形桩柱的作用力和力矩，结

3、果表明内孤立波对桩柱的作用力远大于表面波。xie等[3]基于MCC理论，结合改进的Morison公式计算了强非线性内孤立波对小尺度桩柱的荷载。尤云翔等[4]基于mKdV理论，结合Morison公式研究了两层流体中内孤立波与张力腿平台(TLP)的相互作用。宋志军等口3结合KdV理论和Morison公式计算内孤立波对Spar平台的作用力，建立了Spar平台在内孤立波作用下运动响应的计算模型。蒋武杰等[63基于mKdV理论，结合改进的Morison公式，考虑漩涡脱落频率随水深的变化计算涡激力，研究了两层流体中内孤立波与非均匀海流共同作用下深海顶张力立管的非线性动力响应问题。张莉[73基于KdV

4、—mKdV理论和改进的Morison公式计算内孤立波作用力，考虑表面波、内孤立波、管内流体运动以及顶部浮体运动，分别研究了顶张力立管和悬链线立管的动力响应。采用Morison公式计算内孤立波作用力的关键之处在于获取内孤立波波致流速【，及加速度D的垂向分布。上述研究都是直接采用内孤立波理论公式推导出流场中沿垂向分布的水质点的速度和加速度。此时内孤立波理论的选取是非常重要的，选用不同的内孤立波理论得到的结果可能会有较大差异。本文采用商业软件Fluent建立二维分层数值水槽，模拟大振幅海洋内孤立波，直接得到内孤立波波致水平流速和水平加速度沿垂向的分布，利用改进的Morison公式计算内孤立波对

5、顶张力立管的作用力，然后求解立管的控制方程。采用有限单元法在时域中求解顶张力立管在内孤立波作用下的动力响应，编制相应的Matlab计算程序。1内孤立波数值水槽基金项目：国家自然科学基金(51279187)；山东省科技重大专项(2015zDzx04003)资助第一作者简介：姜海(1989一)，男，硕士研究生，研究方向为海洋工程水动力学，E—mail：hjiangouc@163．com*通讯作者：郭海燕(1959一)，女，教授，博士生导师，E—mail：hyguo@0uc．edu．cn收稿日期：201601—27ygoⅡ仃RL41d鬲qa、型yg沼山湖一洋甜S海．mC姐nmT3期海洋内孤立波

6、中顶张力立管的动力响应研究1．1数值水槽的建立采用两层流体模型，使用Navier—stokes方程作为流场控制方程，利用速度入口法，建立二维数值水槽，整个区域由工作区和消波区组成，如下图1所示。工况参照蔡树群等1998年在南海北部的一次内孤立波的观测资料[2

7、，水槽长度取为9000m，其中工作区长度6000m，消波区长度3000m；水深472m，其中上层水深60m，密度p。一1025kg／m3，下层水深412m，密度p：一1028kg／m3。下凹形内孤立波振幅取为Tlo一82m。图1内孤立波数值水槽不意图Fig．1Sketchofnumericalwaveflume网格划分：工作区需要准

8、确捕捉波形及波面的位置，因此将波面经过的区域对网格进行加密处理，在加密区上下两侧分别采用逐渐增大的渐变网格以提高计算效率，在波面传播方向采用均布网格；消波区网格在波面传播方向采用逐渐增大的渐变网格划分，以起到数值消波的作用。边界设置：水槽左边界采用速度入口边界，水表面采用刚盖假设嘲，水底采用固壁边界，右边界设置为固壁边界。F1uent求解设置：基于eKdV理论[9]，使用UDF编制速度人口程序，嵌入到欧拉方程求解模块中；湍流模型选用