深水立管涡激振动的耦合模拟及抑制方法研究

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在一定的特征海流作用下,具有较低阶固有频率的深水立管极易发生涡激振动,如何对这种现象进行准确预报一直是一个难题。本文结合计算流体力学方法和结构有限元方法,构造了一种用于分析该现象的迭代算法。在迭代过程中,通过对结构进行有限元分析获得立管的振动,并借助于动网格技术将立管的振动效应定义为流体区域中的立管运动,然后应用计算流体力学方法分析由涡激振动引起的流体载荷。 本文考虑了均匀流和剪切流两种海流状况下的涡激振动并通过相关文献中的实验数据对计算方法进行了验证。分析结果表明,立管的运动加强了旋涡的释放;随着迭代次数的增加,存在于涡激振动中的流固耦合效应可以被该方法较好地模拟。通过计算,可以验证作用在立管上的升力周期是阻力的2倍。尽管阻力峰值比升力稍大,但升力的变化幅度约是阻力的10倍。本文认为,在立管的设计过程中,既要考虑垂直于来流方向的升力,也要考虑平行于来流方向的阻力。 为了减轻涡激振动带来的危害,本文又对涡激振动抑制装置整流罩进行了研究。计算结果显示,在整流罩的作用下,涡激振动的程度大大降低。本文分析了一系列不同的整流罩布置方式并与光管计算结果加以比较。 在计算过程中,分别采用流体分析软件FLUENT分析流场和有限元分析软件ANSYS计算立管的动力响应。
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