附属管对钻井隔水管涡激振动流动控制的研究

抑制钻井隔水管的涡激振动是海洋油气开发的一个重要课题。附属管线会改变隔水管附近的流场进而抑制隔水管的涡激振动。采用SST湍流模型数值模拟和风洞实验研究了亚临界流动区域的隔水管关键动力学因素。对于附属管中心距隔水管表面为0.2倍隔水管直径(D)的情况,研究结果表明:计算结果和实验结果较为吻合;不同布置方式和尺寸的附属管起到的抑制效果明显不同;当附属管按照4×0.1D×0o均匀排布时,抑制效果较好且管数较少,时均阻力系数和脉动升力系数均可以减少60%以上;考虑到实际工程应用中海水来流方向的易变性,发现8×0.1D的附属管总体抑制效果最好,减阻和减升分别能达到30%和70%以上。     

附加附属管的隔水管涡激振动离散涡模拟

该文采用离散涡数值方法,对附加附属管的隔水管涡激振动问题进行了模拟。计算了配置4–10根附属管情况下隔水管涡激振动问题,将附加附属管后隔水管的受力系数、振幅与裸管的结果进行比较,同时也研究了不同来流攻角对附属管涡激振动的影响。结果表明,附加附属管后隔水管振幅与裸管相比,受力系数与振幅均有不同程度地减小,对隔水管涡激振动的抑制效果明显。不同数量的附属管对来流攻角的敏感性也各不相同,附加6、8和10根附属管都有很好的抑制效果,其中附加10根附属管对隔水管的抑制效果最好,减幅约达到50%,且对来流攻角的敏感性也最低。     

圆柱附属刚性与柔性分离盘结构系统的涡激振动及驰振风洞实验研究

近年来该文作者针对圆柱涡激振动控制方法与机理开展了数值模拟和风洞实验研究,获得了一些具有典型意义的认识及涡激振动控制策略。与此同时,研究发现,有的典型涡激振动抑制装置如分离盘和整流罩等在一些条件下会发生比涡激振动更严重更复杂的不稳定现象—驰振,它非常不利于对圆柱涡激振动本身的控制。该文概述近期利用风洞实验开展刚性和柔性分离盘控制涡激振动研究时所观察到的典型特征,揭示了涡激振动以及驰振发生的条件和规律。总体来看,在该文实验条件(质量阻尼比0.19-0.2,约化速度2-38)和材料属性下,长度小于1.0 D(D为圆柱直径)的柔性分离盘可以有效控制涡激振动,而大于1.0D的柔性分离盘和刚性分离盘都引发了驰振。对于刚性分离盘,这种驰振比较复杂,与测试条件相关,有的为涡激振动诱发,有的是速度限制激励的,有的是纯粹的驰振且振动强而不停;而柔性分离盘的驰振大多是自发产生的且相对刚性分离盘弱而有限。     

基于大涡数值模拟的海洋隔水管绕流分析

隔水管是深水油气开采中连接浮式平台与水下井口的通道,受复杂海洋工况影响会产生涡激振动而造成疲劳破坏,产生安全隐患。为了更为精确地分析海洋环境下隔水管的流动,建立了简化隔水管三维模型,采用大涡模拟方法开展了不同雷诺数下隔水管表面流动的研究。首先验证了该方法的可行性,然后对三维涡的结构表现、边界层内流体与壁面的分离位置、速度梯度的分布以及涡泄频率等进行了分析。结果表明,随着雷诺数的增加,三维涡能够较好地表征大涡到小涡的分布规律,可对分离点进行预测,其规律对后续减小隔水管的阻力的研究提供参考。     

海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究

流体场采用k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法实现流-固耦合交界面的无缝数据交换,参考Lehn(2003)长径比为482的模型实验完成隔水管流向与横向涡激振动的三维数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好,都反映了多阶振动模态特性。引入激发速度解释了多阶振动模态的现象。进一步分析表明,大长径比柔性隔水管发生涡激振动时流场尾流区涡的脱落呈现多种涡结构模式,尾涡动力特性在不同截面的变化体现出明显的三维特征。同时隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象,运动轨迹呈现变形的8字形。研究同时表明,顺流向的振动响应不可忽略。     

柔性分离盘抑制圆柱涡激振动的风洞试验

该文利用附属柔性分离盘对圆柱涡激振动(VIV)控制问题进行了风洞试验研究。针对弹性支撑的圆柱及不同长度柔性分离盘的试验模型,在雷诺数7 500-40 000情况下,测定不同约化速度(3.5-18.7)下的振动瞬态位移。结果表明:柔性分离盘长度(L)/圆柱直径(D)比为0.6、0.8和1三种圆柱的横向无因次均方根振幅远小于单圆柱,涡激振动抑制效果很好,均在77.6%以上,其中L=0.8D的圆柱抑制效果最佳,几乎无振动;而L=1.2D和1.5D的圆柱反而出现振动增强,约4.5%和9%。对比单圆柱的共振区,附属柔性分离盘的圆柱共振区在约化速度上更靠后且范围更大。     

隔水管附属管控制流动的风洞和水洞实验研究

通过对附属轴向管的隔水管表面压力分布和流体动力特性进行的风洞和水洞实验测试结果的对比,验证了利用低成本风洞实验代替高成本水洞实验来考察隔水管流体动力特性及漩涡特征的可行性。与经典圆柱实验的对比验证了本实验两套测试系统的可靠性。对附加管数N 4和10两种布局的附属管进行流动控制实验的结果表明,4根和10根附属管分别作为少管数和多管数情况的代表,对于流体力的影响差异较大,但均能取得一定程度的降低升阻力和抑制漩涡脱落的效果。多管数对于来流方向的敏感性要低很多。10根管能使Cd和Cl分别获得相对于单隔水管约36%和80%的降低。附属管作为一种消除流向影响以降低流体力和控制漩涡脱落的手段,为抑制隔水管涡激振动提供了参考价值。     

螺旋侧板截面形状对Spar平台涡激运动的影响研究

处于深水中的Spar平台两侧不断产生周期性漩涡脱落,极易诱发涡激运动,缩短平台疲劳寿命。为探究不同截面形状螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台涡激运动的影响,采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数流动状态下附加不同截面形状螺旋侧板的平台进行研究,并与光滑平台进行对比,分析其水动力系数及尾涡发放特点。研究表明:螺旋侧板在有效抑制平台升力系数的同时,还会增加阻力系数,圆形截面侧板对平台升力系数的降幅最大,阻力系数增幅最小;螺旋侧板的存在使漩涡脱落频率整体减小,从单一主频发放变为主频和次频发放;圆形截面侧板的漩涡脱落点距离平台最远,发放最为迟缓;在研究范围内,发现圆形截面侧板抑涡效果最佳。     

基于LES的水工钢闸门流激振动数值模拟研究

针对钢闸门流激振动机制的复杂性以及钢闸门流激振动在工程实际中的多发性,以二维平板钢闸门为例,基于ADINA有限元分析软件,建立了不同开度的流场有限元模型和固体有限元模型,探究了不同开度时水工钢闸门动力响应规律,阐明了单、双向流固耦合作用下钢闸门动力响应差异,揭示了水工钢闸门流激振动机制。结果表明：1)随着开度的增大,流场不同位置处脉动压力逐渐减小,钢闸门附近旋涡脱落的频率逐渐降低;2)对于水工钢闸门而言,可以采用单向流固耦合代替双向流固耦合进行计算;3)水工钢闸门流激振动产生的机制主要是钢闸门周围旋涡脱落频率与钢闸门结构第一阶自振频率一致或相近,导致钢闸门发生了共振。     

圆柱结构顺流向第一不稳定区内涡激振动的研究

在实际工程中圆柱结构顺流向的涡激振动比较常见,其对结构的疲劳破坏影响也十分显著。该文分析了弹性支承圆柱在顺流向第一不稳定区内的涡激振动,运用Van der Pol方程描述对称旋涡脱落的尾迹特性,采用尾流振子模型计算结构响应,并研究了质量-阻尼参数和质量率对顺流向涡激振动的影响机理。数值计算结果表明,在第一不稳定区内,弹性支承圆柱顺流向涡激振动存在临界质量率。     

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

Numerical simulations of vortex-induced vibrations of a flexible riser with different aspect ratiosin uniform and shear currents

This paper aimed at describing numerical simulations of vortex-induced vibrations(VIVs) of a long flexible riser with different length-to-diameter ratio(aspect ratio) in uniform and shear currents. Three aspect ratios were simulated: L/D= 500, 750 and 1 000. The simulation was carried out by the in-house computational fluid dynamics(CFD) solver viv-FOAM-SJTU developed by the authors, which was coupled with the strip method and developed on the OpenFOAM platform. Moreover, the radial basis function(RBF) dynamic grid technique is applied to the viv-FOAM-SJTU solver to simulate the VIV in both in-line(IL) and cross-flow(CF) directions of flexible riser with high aspect ratio. The validation of the benchmark case has been completed. With the same parameters, the aspect ratio shows a significant influence on VIV of a long flexible riser. The increase of aspect ratio exerted a strong effect on the IL equilibrium position of the riser while producing little effect on the curvature of riser. With the aspect ratio rose from 500 to 1 000, the maximum IL mean displacement increased from 3 times the diameter to 8 times the diameter. On the other hand, the vibration mode of the riser would increase with the increase of aspect ratio. When the aspect ratio was 500, the CF vibration was shown as a standing wave with a 3~(rd) order single mode. When the aspect ratio was 1 000, the modal weights of the 5~(th) and 6~(th) modes are high, serving as the dominant modes. The effect of the flow profile on the oscillating mode becomes more and more apparent when the aspect ratio is high, and the dominant mode of riser in shear flow is usually higher than that in uniform flow. When the aspect ratio was 750, the CF oscillations in both uniform flow and shear flow showed multi-mode vibration of the 4~(th) and 5~(th) mode. While, the dominant mode in uniform flow is the 4~(th) order, and the dominant mode in shear flow is the 5~(th) order.     

Numerical simulation of viscous flow past an oscillating square cylinder using a CIP-based model

The flow past an in-line forced oscillating square cylinder at Reynolds number of 200 is studied using an in-house code, named constrained interpolation profile method developed in Zhejiang University(CIP-ZJU). The model is established in the Cartesian coordinate system using the CIP method to discretise the Navier-Stokes equations. The fluid-structure interaction is treated as a multiphase flow of the liquid and solid phases to be solved simultaneously. An immersed boundary method is used to deal with the boundary of the solid body. The CFD model is first applied to the computation of the flow past a fixed square cylinder for its validation. Computations are then performed for the flow past a square cylinder oscillating in the streamwise direction. Considerable attention is paid to the symmetric and anti-symmetric modes of the vortex shedding in the oscillating square cylinder wake. Various oscillation amplitudes and frequencies are simulated and their effects on the vortex shedding modes are analyzed via Lissajous patterns of the unsteady lift coefficient. The relationship among the lift coefficient, the drag coefficient and the lock-on range is also investigated quantitatively.     

高雷诺数下圆柱绕流与大振幅比受迫振动的数值模拟

利用CFD方法,研究较高雷诺数下圆柱绕流及圆柱大振幅比横向受迫振动特性。在Navier-Stokes方程和k??湍流模型的基础上,对圆柱绕流分别进行了二维与三维的数值模拟,得到了圆柱绕流的升力系数和漩涡发放频率数等结果。研究结果表明,三维模拟的升力系数均小于二维模拟结果。利用Fluent的动网格技术进行大振幅比圆柱横向受迫振动的研究,得到圆柱在不同振动频率时的升力系数及漩涡发放规律和圆柱在特定振幅及频率下的"锁定"区间。     

STABILITY OF VORTEX STREET IN GAS-LIQUID TWO-PHASE FLOW

The stability of the Karmen vortex street in gas-liquid two-phase flow was studied experimentally and theoretically. The values of the parameter h/l characterizing the vortex street structure (i. e. , the ratio of the vortex street width to the distance between two vortexes) for a stable vortex street in gas-liquid two-phase flow were obtained for the first time. The parameter h/l was prpved to be a variable, not a constant as in single-phase flow, h/l is related to the upstream fluid void fraction. In gas-liquid two-phase fluid flow to form a steady vortex street is more difficult than in a single-phase fluid flow. Because in the unsteady vortex shedding the vortex shedding band frequency is broader than the one in the single phase fluid flow, so it is easier to induce the cross-cylinder resonance than in the single phase fluid flow, and this case should give rise to the attention of engineers.     

两层黏性流体中直立圆柱体绕流的三维数值模拟

研究了两层流体中直立贯底圆柱体的三维黏性绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,应用VOF方法追踪两层流体的内界面,建立了该问题的数值模拟方法.成功地数值模拟了两层流体中圆柱体黏性绕流产生的三维尾涡特征,表明了流体的密度分层效应对直立贯底圆柱体的尾涡特性和阻力系数都是有影响的.在海洋立管涡激振动的研究中,考虑流体的密度分层效应是重要的.     

分层强剪切环境下减阻板对圆柱减阻效应研究

由于上下水层流动反向,柱体在分层流环境中与密度均一流环境中受力差别较大。将密度均一流环境下上游减阻板对柱体减阻的概念引入分层流环境下的圆柱受力研究中,建立三维数值模型,采用大涡模拟(LES)技术,研究内波环境下圆柱的减阻效应。结果表明:在上层水体中,减阻板对柱体受力影响较大;在下层水体中,减阻板几乎不起作用。减阻板背部的漩涡形态是影响柱体减阻效应的根本原因。减阻参数(阻塞比l/D及“板-柱”间距s/D)决定了柱周漩涡结构特征,直接影响减阻效果。引入减阻比B_R量化了减阻效果,采用回归分析拟合出B_R与s/l的经验公式。需将减阻参数控制在合理范围内,避免发生“减阻过度”。研究成果对提高近岸及河口建筑物墩柱安全有重要意义。