质量比对刚性圆柱体涡激振动影响分析(附件)
世界能源日益短缺，对于那些有着辽阔海域的国家而言，获取海上能源已经成为防止能源短缺的重要途径。现阶段世界海洋大国不断研制出新型的海洋装备开发海上能源，立管作为海工装备中的重要设备发挥着不可替代的作用，而开采环境不同，就会有不一样的质量比，会对立管涡激振动产生不一样的影响。本文的主要研究工作是研究不同质量比对刚性圆柱体涡激振动运动响应的影响。本文利用ANSYS-CFX软件进行数值模拟，主要研究方法以及计算分析得到的结论如下首先，本文为了通过约化速度比较出雷诺数对圆柱涡激振动的影响，先在静水中通过模态模块计算出定质量比下的固有频率，再改变雷诺数进行数值模拟计算。分析计算得到的数据，绘制出不同雷诺数下圆柱体的轨迹、升力以及拖曳力曲线，综合比较不同约化速度下的无量纲振幅，得到“锁定区间”大约在雷诺数为[2500,3800]，为研究质量比对涡激振动的响应奠定基础。接着，根据改变雷诺数而得到的“锁定区间”，确定研究质量比时的流速。在中低质量比范围内选择几组合适的质量比值，分析不同质量比下的涡激振动响应，绘制出不同质量比下圆柱体的轨迹、升力以及拖曳力以及无量纲振幅曲线，分析归纳发现质量比的改变对升力、拖曳力以及泻涡频率无影响，质量比上升振幅都下降；研究超低质量比时，升力、拖曳力以及泻涡频率相对于中低质量比无变化，而振幅下降了一些。最后，对全文进行总结。本文数值计算分析得到的结果将会为工程师更新立管装备供理论依据。关键词圆柱体；涡激振动；ANSYS-CFX；质量比；雷诺数
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 ANSYSCFX软件简介 4
1.4 本文的主要内容 5
第二章 涡激振动基本理论 7
2.1 涡激振动基本概念 7
2.1.1 涡激振动的原理 7
2.1.2 影响涡激振动的因素 8
2.2 涡激振动基本方程 8
2.2.1 涡激振动基本参数 9
2.2.2 圆柱振动方程 13
2.2.3 湍流基本理论 15
2.3 本章小结 15
第三章 雷诺数对涡激振动的响应分析 16
3. style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 ANSYSCFX软件简介 4
1.4 本文的主要内容 5
第二章 涡激振动基本理论 7
2.1 涡激振动基本概念 7
2.1.1 涡激振动的原理 7
2.1.2 影响涡激振动的因素 8
2.2 涡激振动基本方程 8
2.2.1 涡激振动基本参数 9
2.2.2 圆柱振动方程 13
2.2.3 湍流基本理论 15
2.3 本章小结 15
第三章 雷诺数对涡激振动的响应分析 16
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1 研究思路 16
3.2 均匀流速下圆柱体绕流模拟 16
3.2.1 三维网格划分 16
3.2.2 流场以及结构网格简述 17
3.3 变雷诺数对涡激振动响应分析 19
3.3.1 雷诺数Re=220对涡激振动响应分析 19
3.3.2 雷诺数Re=1100对涡激振动响应分析 20
3.3.3 雷诺数Re=3300对涡激振动响应分析 21
3.3.4 雷诺数Re=4400对涡激振动响应分析 22
3.4 结果分析 23
3.4.1 运动轨迹 23
3.4.2 振幅变化规律 24
3.4.3 泻涡频率变化特性 25
3.4.4 圆柱体升力以及拖曳力变化特性 26
3.5本章小结 27
第四章 不同质量比下涡激振动响应分析 28
4.1 质量比对涡激振动响应分析 28
4.1.1 运动轨迹 28
4.1.2 振幅变化规律 30
4.1.3 泻涡频率变化特性 31
4.1.4 圆柱体升力以及拖曳力变化特性 32
4.2 超低质量比涡激振动响应分析 35
4.3 本章小结 38
结 论 39
致 谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景
海洋占了全世界面积的70%，相对于我国960万平方公里的陆地面积而言，我国的海洋国土面积就将近320万平公里，在全球排名第九。近一个世纪以来，随着全球经济的快速发展，陆地上的自然资源逐渐被消耗殆尽，而蕴藏在海洋内的自然资源仍有很多没被开发出来。就我国320万平方公里海洋领土而言，我国科学家在仅仅在近海大陆架就已经探测到240余亿吨的石油资源，同时还探测到约为13万亿立方米的天然气资源量，矿产资源也十分丰富，探测到滨海金属矿产达到0.25亿吨，而非金属矿产达到15亿吨。在深海地区，位于中沙群岛南部以及东沙群岛东南部分地区，就有约为3200平方公里的多金属结合富集区。可见，开发海洋已经成为未来几十年内我国国家发展的关键任务，如何充分合理地利用我国320万平方公里中蕴藏的宝贵资源，已经成为我国未来发展的焦点[1]。在党的十八大中也提出“海洋强国战略”，会议上，党和人民郑重向全世界宣布中国将以国际社会规范的原则和要求，通过和平的方法来发展海洋经济，发展海洋科技装备，提升海洋资源开发和利用能力[2]。
随着海洋资源开发的不断深入，我国并不满足将眼光放在近海地区，越来越多的资源开采公司将自身的目光放在了资源更为丰富的深海地区。2015年“海洋石油981”远赴南海进行作业，在南海北部深水区测试获得高产油气流，一系列数据表明一个大型的油田又被中国科学家发现，相信在不久的未来可以见到更多的石油、天然采集装备会树立在遥远的九段线[3]。深海油气资源开发与快速发展驱使着海洋装备的进步，海洋立管在资源采集时的重要性也日渐显现，满足以立管圆柱体为代表的海洋结构探测物逐渐广泛用于各类海洋平台中。立管作为一种连接海底与海面结构物的连接方式，既可以与海洋平台相连接，也可以与固定的漂浮船舶相连接。立管可以分为两大类：一类是刚性立管，另一类是柔性立管。实际工程中，按照立管的功能可以也分为两种：生产立管以及钻井立管。生产立管一般情况下直径有30cm，不同作业情况下，立管的长度不一，一般来说生产立管的作业长度可以达到1000m，生产立管一般用于开采天然气、石油等自然资源。而钻井立管为了能够更方便开采到自然资源储藏的区域，它就要求有更大的直径，长度也更长。
对于刚性立管而言，流域产生的力作用在立管上，所以容易产生涡激振动（vortex induced vibration of solid risers），水流产生的涡激振动虽然会使圆柱体产生疲劳破坏，过度的疲劳破坏会导致立管的出现严重的安全问题，影响生产甚至造成人员伤亡和大自然的污染。2010年在美国墨西哥湾，因为立管疲劳破坏发生严重的石油泄漏事故，150万公尺的海域被污染，严重破坏了自然环境，同时造成巨大的财产损失，为我们敲响了警钟[4]。在实际工程中，生产立管与钻井立管质量比的改变会很大程度影响涡激振动，不认真分析其中的差别就会造成上述事故的发生。因此，为了进一步发展我国的海洋事业就有必要对涡激振动开展更多的研究。涡激振动是一个涵盖高等数学、微积分学、材料力学、理论力学等多门基础学科的复杂课题，同时，涡激振动的产生还受到来流流速、立管本身的质量、阻尼比以及固有的振动频率等因素的影响，不得不承认，涡激振动相关问题是一个复杂的流固耦合问题。本文目的是为了研究质量比对涡激振动的影响，所以需要将圆柱体放在一个真实的海洋情况下进行数值模拟，选取合适的参数，为研究人员在特定工作状况下分析涡激振动相关影响提供依据。
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