翼板擾流器對(duì)管線繞流和渦激振動(dòng)影響的二維數(shù)值研究.pdf

1、隨著人類對(duì)海洋能源的需求日趨增強(qiáng)，海底管線在海洋油氣資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到了前所未有的應(yīng)用，同時(shí)關(guān)于海底管線的研究也取得了較大的進(jìn)展。幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于光滑管線的繞流和渦激振動(dòng)做了大量的研究工作，而對(duì)如何抑制管線動(dòng)力響應(yīng)的有效措施的研究較少。工程中通常在管線上布置擾流器附件來(lái)減小不利環(huán)境荷載條件下海底管線的幅度，但到目前為止，對(duì)擾流器減振的作用機(jī)理還不完全清楚，因此對(duì)帶翼板擾流器的管線繞流和渦激振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展數(shù)值研究顯得十分必要及緊迫。<

2、br>　　利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，結(jié)合RNG k-ε湍流模型，建立了固定雷諾數(shù)下帶翼板的海底管線的二維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，并將四種形式的翼板管線（Δ00型、Δ30型、Δ60型和Δ90型）與光滑管線進(jìn)行對(duì)比，探討間隙比(e/D=0.3、1.0)和翼板高度比(S/D=1.0、1.5和2.0)對(duì)翼板抑制渦旋釋放效果的影響。計(jì)算結(jié)果表明:四種翼板管線可有效地控制渦旋在管線上的分離點(diǎn)，且渦旋在釋放過(guò)程中不同步。在翼板高度相同時(shí)，不同形式翼板的

3、抑制渦旋的效果與間隙比有關(guān)。間隙比e/D=0.3對(duì)Δ00型翼板管線和Δ30型翼板管線的影響更大，更有利于渦旋的抑制。間隙比減小，四種翼板管線受力也隨之減小，翼板擾流器發(fā)揮的效果更好，其中Δ60型翼板管線效果最佳，Δ00型翼板管線效果較差。在間隙比相同時(shí)，四種翼板管線的時(shí)均升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨著翼板高度S的增加而增大。
　　為探討翼板擾流器對(duì)管線振動(dòng)抑制效果，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型結(jié)合質(zhì)量彈簧結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，針對(duì)管線渦激振動(dòng)展開(kāi)了二維流

4、固耦合數(shù)值模擬研究。采用了“混合網(wǎng)格劃分方法”，并將動(dòng)網(wǎng)格ALE方法和主從網(wǎng)格控制方法運(yùn)用到本文的流固耦合數(shù)值計(jì)算中，保證了管線運(yùn)動(dòng)引起的流體網(wǎng)格的質(zhì)量。首先對(duì)光滑管線的渦激振動(dòng)進(jìn)行多組數(shù)值計(jì)算，成功的捕捉到管線振動(dòng)的“拍擊”、“鎖定”和“相位開(kāi)關(guān)”等現(xiàn)象，同時(shí)將數(shù)值結(jié)果與多位學(xué)者的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了流固耦合數(shù)值模型的正確性。其次，開(kāi)展了Δ60型翼板管線渦激振動(dòng)數(shù)值研究，并與光滑管線對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)尾流場(chǎng)渦旋結(jié)構(gòu)、動(dòng)力響應(yīng)、振動(dòng)