深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟.pdf

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1、第43卷第4期2013年4月中国海洋大学学报PERIODICAL0FoCEANUNIVERSITYOFCHINA43(4)：106～111Apr．，2013深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟8刘景伟1，郭海燕1，赵婧1，李朋1，徐昱2(中国海洋大学1．工程学院；2．山东省海洋T程重点实验室，山东青岛266100)摘要：针对阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验所需的外流条件，根据实验室的基本情况，对试验流场进行了设计改造和数值模拟。根据数值模拟的结果，选定了试验流场的改造方案，并对改造后测得的试验数据和数值模拟的结果进行了

2、对比分析。结果表明：在低流速时，模拟结果与试验流速吻合较好；在高流速时，数值模拟结果比试验流速略大。在误差允许的范围内，可以得到均匀分布的流场。关键词：海洋立管；涡激振动；流场改造；数值模拟中图法分类号：P751；035文献标志码：A文章编号：1672—5174(2013)04—106—06随着人们对能源需求的不断增加，能源的供求矛盾日益突出，开发海上石油，成为我国“海洋强国”战略的重大举措之一。．中国海上石油储量高，探明率低，在南海的深水油气勘探处于起步阶段，未来几年将是海洋石油的黄金发展时期。然而国内深海工程技术储备的不足，将会限制海上

3、石油的发展质量和速度。海洋立管是深海平台的重要结构部件，其涡激振动和疲劳破坏问题，是制约中国海上石油发展的技术障碍之一。因此对深水海洋立管进行涡激振动的模型试验，研究其在复杂受力情况下的动力特性及运动响应，显得尤为重要。目前，国内外的学者对于海洋立管涡激振动规律及抑振措施都进行了广泛的研究[14]。其中，郭海燕[5]等人进行了海洋立管涡激振动的无比尺模型实验，探究了海洋立管在海洋环境荷载下的涡激振动机理；吕林、宋吉宁[6]等人进行的大长细比柔性立管涡激振动试验，研究了均匀流作用下的涡激振动规律；HLieE7]研究了细长柔性立管在剪切流作用下

4、的涡激振动规律；JRChaplinE8]利用拖曳试验研究了立管在阶段流作用下的涡激振动规律。但国内针对阶段流作用下的大长细比立管的涡激振动试验还未见报道。为适应我国开发南海深水油气资源的需要，在中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室进行阶段流作用下的大长细比深水海洋立管涡激振动试验，旨在探究海洋立管在外流、内流和顶张力作用下的涡激振动规律。本文主要针对模型试验的要求，利用Fluent软件对试验流场进行CFD数值模拟。根据数值模拟的结果，确定试验流场的改造方案，并对改造后试验数据和数值模拟的结果进行对比分析。*基金项目：国家高技术研究发展计划项

5、目(2010AA092303)资助收稿日期：2012—02：02；修订13期：2012—07—20作者简介：刘景伟(1989一)，男，硕士生。E-mail：hail0810@163．com1试验设备大长细比深水海洋立管涡激振动试验在中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室的大型平面随机波波流耦合水池内进行。该水池长60m、宽36m、最大水深1．5m，其中有深水井2处，尺寸分别为长6m、宽6m、深3m和长30m、宽10m、深5m。该水池四面均可来流，水流从沿池壁布置的渠道均匀涌出。当一面来流时，另外三面的渠道可用作排水。同时，实验室配有行车一架，

6、主车最大车速2．0m／s，副车最大车速1．5m／s；天车一架，限重3t，限高8．5m；双向造流水泵7套，管径500mm，最大总流量5．0m3／s。实验室的构造见图1。图1实验室波流耦合水池Fig．1Couplingpoolofthelaboratory试验所需的数据采集设备及仪器包括：多普勒流4期刘景伟，等：深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟速计、光栅光纤解调仪、动态电阻应变仪(YD一28A型)及信号采集分析仪等。2流场改造及CFD数值分析试验主要对大长细比深水立管在较大流速下的涡激振动规律进行研究，所需的外流最大流速为1．2

7、m／s，浅水区水深1．2m。由于实验室的双向造流水泵的最大流量为5．0m3／s，沿水池宽度方向折算最大流速约为0．12m／s，不能够满足试验的需要，故需对实验水池进行改造设计。2．1试验流场改造方案根据流体流量公式Q—UA(其中Q为水流流量，U为通过过流断面流体的流速，A为过流断面的面积)，当水泵输出功率恒定时，水流的流量恒定。通过改变水流的过水断面的横截面积，流速会发生相应的改变。因此，本文结合立管试验需要，设计一种辅助流速增大的装置，即通过减小过流断面面积的方法，提高实验水池的水流流速。由于实验室的场地限制，并且要在获得较大流速的同时，

8、保证流速的均匀平稳，需要设计较长的直线段，使水流在流速增大的过程中能够均匀过渡，所以选择了距深水池距离较远的一侧为来流方向。按照实验所需的1．2m／s的流速和1．2m的水流深度，