瞬時(shí)渦量守恒離散渦方法研究及在海洋立管渦激振動(dòng)中的應(yīng)用.pdf

1、隨著陸地油氣資源的緊缺，油氣開(kāi)發(fā)逐步進(jìn)入深海。立管成為海洋油氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一，連接海面浮式平臺(tái)和海底井口，起到鉆探、開(kāi)采、運(yùn)輸油氣的作用。海流作用在立管上，會(huì)誘發(fā)立管做渦激振動(dòng)，導(dǎo)致立管疲勞損傷，引發(fā)不安全事故。因此，立管渦激振動(dòng)現(xiàn)象受到科學(xué)界和工程界廣泛關(guān)注。
　　本博士論文在粘性流體理論的框架內(nèi)，提出了瞬時(shí)渦量守恒的渦方法，并應(yīng)用該方法探索了雙圓柱繞流以及三維立管渦激振動(dòng)。針對(duì)渦元穿透圓柱邊界進(jìn)入其內(nèi)部的問(wèn)題，提出瞬時(shí)渦量

2、守恒的處理方案;結(jié)合雙圓柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出針對(duì)雙圓柱繞流的瞬時(shí)渦量守恒的處理方案，并以此建立了雙圓柱繞流的數(shù)值計(jì)算模型;利用間隙流偏轉(zhuǎn)方向與雙圓柱間隙中間點(diǎn)誘導(dǎo)速度的方向同步的特性，提出識(shí)別寬尾流和窄尾流的新方法;結(jié)合有限體積方法，引入動(dòng)剛度矩陣，建立了單立管和雙立管靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法。文中涉及的所有數(shù)值方法，都是通過(guò)Fortran編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用Tecplot平臺(tái)進(jìn)行后處理。
　　首先，針對(duì)離散渦方法中部分渦元穿

3、透數(shù)值邊界層進(jìn)入柱體內(nèi)部的問(wèn)題，本文提出了瞬時(shí)渦量守恒的處理方案。為了保證圓柱內(nèi)部的渦量為零，在柱體內(nèi)部渦元的位置處引入新的渦元，其環(huán)量大小相等，方向相反。同時(shí)為了保證數(shù)值圓周的流線性，根據(jù)圓周定理，在柱體內(nèi)部渦元的鏡像位置再引入另一渦元。研究表明:該處理方案不僅保證了數(shù)值圓周的流線性和柱體內(nèi)部渦量為零的要求，而且保證了瞬時(shí)渦量守恒和總的渦量守恒，使得離散渦方法的計(jì)算精度得到極大的提高，同時(shí)也拓展了離散渦方法的計(jì)算范圍。引入瞬時(shí)渦量守恒

4、的離散渦方法被稱(chēng)為滿足邊界條件的瞬時(shí)渦量守恒法(InstantaneousVorticity Conserved Boundary Conditions)，即IVCBC渦方法。
　　其次，針對(duì)雙圓周對(duì)點(diǎn)渦的影響，結(jié)合保角變換，提出處理點(diǎn)渦進(jìn)入圓周內(nèi)的處理方法。研究表明:速度場(chǎng)的計(jì)算公式中圓柱外點(diǎn)渦的個(gè)數(shù)對(duì)雙圓周表面壓力的影響非常少。因此，為減少計(jì)算量，針對(duì)較高雷諾數(shù)(1×104～1×105)下雙圓柱繞流的特點(diǎn)，采用IVCBC渦方法

5、建立了并聯(lián)和串聯(lián)雙圓柱繞流的數(shù)值計(jì)算模型。分別探索了雷諾數(shù)為Re=6.0×104和Re=2.2×104的雙圓柱繞流特征。根據(jù)并聯(lián)雙圓柱間隙中點(diǎn)誘導(dǎo)速度的方向與間隙流偏轉(zhuǎn)方向同步的特性，提出一種新的區(qū)別寬尾流(Wide Wake)和窄尾流(NarrowWake)的數(shù)值方法。研究表明:本文提出的方法，能準(zhǔn)確地識(shí)別兩圓柱之后的寬尾流和窄尾流;在間隙比為1.1≤T/D≤2.6范圍內(nèi)，一種介于寬尾流和窄尾流的頻率之間的中間頻率;在并聯(lián)雙圓柱繞流中

6、，存在五種尾流模式，其中在間隙比為2.6＜T/D≤7范圍內(nèi)，獲得穩(wěn)定且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的對(duì)稱(chēng)尾流模式，其中同步反相的尾流模式在多種尾流模式中占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。在串聯(lián)雙圓柱繞流中，兩圓柱的間距比在1.1＜L/D＜1.4時(shí)，上游圓柱的剪切層分離后與下游圓柱的剪切層對(duì)接，將下游圓柱包裹;在間距比為L(zhǎng)/D=1.2時(shí)，可清晰地看見(jiàn)兩圓柱之間的上部和底部有清晰的小渦存在;在間隙比為1.4＜L/D＜3.25時(shí)，上游圓柱的剪切層分離后與下游圓柱的剪切層逐漸斷裂，

7、在兩圓柱之間形成回流區(qū)域，但沒(méi)有形成完整的渦對(duì);在間距比L/D=3.25時(shí)，所有的流體力都產(chǎn)生突變，該間距比稱(chēng)為臨界比;在間隙比L/D＞3.25時(shí)，在兩圓柱之間存在完整的渦對(duì)。
　　最后，針對(duì)立管長(zhǎng)細(xì)比較大的特點(diǎn)，引入有限體積法和動(dòng)剛度矩陣，利用切片原理建立立管的數(shù)值結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合IVCBC渦方法建立單立管和雙立管渦激振動(dòng)的三維數(shù)值計(jì)算模型。研究表明:該數(shù)值模型具有較高的可靠性和有效性;對(duì)于雷諾數(shù)較高的立管渦激振動(dòng)，其泄渦頻率都明