立管涡激振动的离散涡数值模拟

通过离散涡方法求解立管所受涡激升力,并与立管动力响应方程相耦合来对涡激振动问题进行时域内的数值模拟。通过在均匀来流和剪切来流下的模拟,所得的结论与其他文献中的结论比较吻合,较好地揭示了立管涡激振动的特征。     

考虑管土作用海底管线涡激振动分析

将VIVANA模型与梁单元结合建立海底管线悬跨段涡激振动(VIV)数值模型,利用弹簧模拟管土作用,采用频域和时域非线性相结合的方法对涡激振动问题进行求解,计算在土壤非线性边界条件下的海底管线悬跨段涡激振动响应.采用三种不同的弹簧进行计算,弹簧具有不同的P-δ曲线.本文对求解方法的有效性进行考察,研究了土壤非线性对涡激振动的影响.     

深水钻井隔水管涡激振动特性的数值模拟研究

深水钻井隔水管作为深水油气开发的关键部件必然面临涡激振动及其疲劳损坏这一重大安全问题,正受到广泛关注。基于精细流场模拟并耦合结构动力响应的流固耦合方法是准确分析隔水管涡激振动特性的必然趋势。文中总结了"十一五"期间和正在进行的"十二五"课题在数值模拟方面的部分研究成果,针对简化的和实际尺寸的隔水管所涉及的涡激振动问题,提出高精度流固耦合分析技术,建立了隔水管涡激振动分析可靠的物理模型、数学模型和数值模拟方法。通过对比实验验证了模型的可靠性。基于简化和实际情况下(海况、结构、尺寸等)钻井隔水管涡激振动进行了大量的数值模拟研究,给出了高雷诺数下具有实际海况的几种典型洋流条件,如剪切流、亚临界和临界流条件下实际尺寸隔水管的涡激振动特性,以及顶部张力控制隔水管涡激振动的效果。     

一种基于ANSYS 和 FLUENT 的海洋立管的涡激响应分析方法

目前提出了一种包括CFD流场分析和结构有限元分析的迭代方法用于模拟海洋立管的涡激振动。在迭代过程中,依次对流场和立管进行分析。在分析过程中把直接导致涡激振动的水动力载荷由流场传递到立管,该水动力载荷包括周期性的升力和阻力。然后把立管的振动定义为一个函数,用来描述下一步计算中流场中立管边界的运动。计算过程中,采用FLU-ENT(6.1.22版本)分析流场和ANSYS(8.1版本)计算立管的涡激响应。     

柔性立管涡激振动实验的数据分析

在对光纤光栅应变计（FBG）测量得到的柔性立管室内模型实验数据进行分析中,通过信号滤波、模态分解、频谱分析以及位移计算等得到立管涡激振动的共振模态、振动频率和位移变形等参数的变化规律。分析结果表明所采用的数据分析方法能够很好地分析出柔性立管涡激振动的基本特性,这对今后深入开展深海立管涡激振动问题的实验研究和现场原位测试提供了有益的借鉴。     

深水细长柔性立管涡激振动响应形式判定参数研究

利用有限元数值模拟方法研究了深水细长柔性立管在正弦形式涡激升力作用下的动响应,并通过量纲分析结合函数拟合方式给出了判定立管涡激振动响应形式的无量纲参数的表达式和临界值,该参数与系统阻尼(包括流体阻尼和结构阻尼)、结构模态阶数及结构长度等有关。在实际海洋工程中,当设计或监测人员在预测立管的涡激振动响应时,可以先利用本文方法判定振动响应形式,然后根据响应形式选择合适的预报模型。     

单向水流作用下近壁管道横向涡激振动实验研究

对单向水流作用下近壁管道横向涡激振动进行了实验模拟,重点探讨了管道与壁面间隙比(e/D)对管道涡激振动幅值和涡激振动频率响应特性的影响规律。实验结果表明,管道与壁面间隙宽度对管道涡激振动特性有较明显影响。在较大间隙比(e/D>0.66)下,管道振幅随着Vr数的增大先快速增长到最大值,然后平缓下降;在振动初期(即Vr数较小时),管道振动频率变化基本符合Strouhal规律;在振动中后期(即Vr数较大时),管道振动频率变化不符合Strouhal规律,而在管道固有频率附近缓慢增长。在较小间隙比(e/D<0.30)下,管道振幅随Vr数的增大先平缓上升到最大值,随后较快速下降;在振动初期,管道振动频率变化不遵循Strouhal规律;在整个振动范围内,与较大间隙比情况相比,随着Vr数增加,管道振动频率增长幅度明显较大。     

钻井隔水管涡激振动监测装置海上试验

涡激振动引起的应力和疲劳损伤是影响钻井隔水管作业安全的重要因素,设计阶段往往采用严苛的海洋环境参数,虽然可以保证系统安全,但是却会影响钻井时效。本文利用加速度监测装置对南海X-1井进行了隔水管的涡激振动监测,通过对监测数据的频谱分析,发现隔水管产生涡激振动的频谱具有明显的锁频特征,并且涡激振动并不存在于整个作业过程,因此在实际作业阶段隔水管参与涡激振动的模态最高阶次存在超过设计预期水平的可能性。本文提出根据实测数据预测和评估钻井隔水管涡激振动响应的方法,对保证隔水管系统作业安全具有重要意义。     

海洋平台立管的涡激振动抑制研究

海洋平台立管在波浪的作用下易产生涡激振动现象(VIV),这会造成立管的疲劳损坏、缩短立管的使用寿命,还会严重威胁立管的安全稳定。为了抑制立管的涡激振动现象,提高立管的使用寿命和安全性,使用通用流体力学软件FLUENT中的动网格技术和用户自定义函数(UDF)进行造波,并采用流体体积法(VOF)监测波高建立数值波浪水池模型,基于此模型应用被动控制方法,即在立管前加一干扰柱研究海洋平台立管涡激振动抑制问题。研究表明:在立管前加一干扰柱,可以减小立管所受到的升阻力系数,从而达到抑制立管涡激振动现象;改变立管与干扰柱的距离(间距比),计算所得的立管的升阻力系数变化不大,说明改变间距比对立管的涡激振动现象没有影响。     

基于正交试验设计的盘球附体抑涡试验研究

为探究盘球附体尺寸和布置形式对海洋立管涡激振动的影响,对盘球附体这一新型海洋立管涡激振动抑制装置进行了试验研究。考虑盘球附体布置的螺距、螺纹数、盘球附体直径及1个螺距内的盘球数量等4个因素,每个因素设计了3种水平。采用正交试验设计法生成了9组立管试验模型,测量了9组立管模型的横流向应变RMS值、顺流向应变平均值以及横流向振动频率,并将这些结果与不带附体的裸管模型试验结果进行比较。研究结果表明,合理布置的盘球附体能够降低立管模型横流向应变RMS值和频率,但不会增加阻力。利用正交试验表评判了盘球附体布置的各因素对涡激振动横向振幅的影响,发现螺距是影响盘球附体抑涡效果最重要的因素,当螺距较小、1个螺距内盘球的数量较多时,盘球附体可能达到较好的抑涡效果。研究结果可为盘球附体优化设计及提高盘球涡激抑制效果提供一定的参考。     

海底电缆在涡激振动下的疲劳寿命

针对悬空段海底电缆结构失稳、疲劳失效和使用寿命缩短等问题，基于洋流作用下海底电缆涡激振动机理，结合海底电缆结构特性，采用流体力学法建立适用于海底电缆的振动仿真模型，基于仿真模型研究洋流流速、电缆机械特性（截面、质量、自阻尼特性等）、悬空断长度等对海底电缆振动和疲劳损伤的影响，结合应变性疲劳曲线和雨流计数法，计算海底电缆的疲劳损伤，根据线性损伤累积理论得到海底电缆的疲劳寿命，分析海底电缆疲劳寿命的影响因素。结果表明，增大海底电缆的弹性模量和阻尼比、缩短电缆悬空段长度可有效延长海底电缆的疲劳寿命。     

浅水海洋平台悬跨式隔水管设计方法

为节约成本,在设计要求相对较低的浅水海域采用悬跨式隔水管。详述悬跨式隔水管的设计流程,提出悬跨式隔水管设计中的等效模型设计,对悬跨式隔水管进行强度和涡激振动（Vortex-Induced Vibration,VIV）疲劳分析,提出改善VIV疲劳的方法,旨在为浅水可移动平台悬跨式隔水管的应用提供设计框架和参考依据。     

大型结构物细长杆件涡激振动的抑制

以文昌9-2/9-3CEP导管架为研究对象，用参数评估法对该导管架在建造、运输、在位工况下杆件的涡激振动（Vortex-Induced Vibration，VIV）进行校核，对VIV产生的原理和抑制方法进行研究。结果表明，可从改变结构自身动力特性和改善结构外部流场两个方向对杆件VIV进行抑制，安装狗骨头防振锤可有效增大结构的稳定性因数，抑制结构VIV。     

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration（VIV）疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。     

海洋温差能发电冷水管涡激振动性能

以海洋温差能发电（Ocean Thermal Energy Conversion,OTEC）平台的冷水管为研究对象,根据结构方程和尾流振子方程建立冷水管流固耦合模型,采用有限元方法和 法对冷水管涡激振动（Vortex-Induced Vibration,VIV）进行时域分析,并在MATLAB软件中开发相应的求解程序。针对冷水管所面临的复杂工况,分别研究外部流场、内部流场、长径比和压载质量等因素对VIV产生的影响。结果表明：随着外流流速和长径比的增大,冷水管横流向VIV模态和振动幅值也发生相应改变,振动强度呈现波动上升;在不发生动态失稳的情况下,内流流速的增加可有效减小冷水管横流向振动幅值,压载质量可大幅减小冷水管自由端的振动位移。     

虚拟仿真技术在PLET安装上的应用

研究一套应用于海洋工程的虚拟仿真系统,此仿真系统由软件Vortex和Vega Prime的应用程序编程接口（Application Programming Interface,API）函数共同开发。使用三维建模软件Creator建立几何与地理模型,并建立基于Vortex的碰撞检测和动态响应的物理模型。完成仿真系统的总体架构和硬件平台与软件平台的搭建,详述船-缆-体多体耦合系统仿真整体流程,结合海底管道终端（Pipeline End Termination,PLET）海上安装实例阐述仿真系统的操作流程。该虚拟仿真系统对实际海上工程建设、投产及生产维修起到重要的指导和培训作用。     

稠油出砂冷采颗粒离散元数学模型

疏松砂岩油藏渗流出砂问题的实质是砂岩地层微粒的剥蚀与运移,鉴于传统物理模拟方法的复杂性以及现有数值模拟方法在描述非连续介质方面的不足,建立了考虑流固耦合的颗粒离散元稠油出砂冷采数学模型,优选了Mohr-Coulomb屈服准则作为颗粒从母岩剥离的破坏准则,从微观角度定量描述出砂机理。数学模型模拟产砂速率、产油速率及井底压力结果与一维物理模型实验实测值均吻合较好,验证了模型的正确性和可靠性,在此基础上,定量描述了稠油出砂冷采的临界条件及蚓洞扩展规律。把所建立数学模型拓展到现场,计算结果表明,颗粒离散元数学模型能够正确描述稠油出砂冷采出砂规律,为研究稠油出砂冷采提供了一种新手段。图8参17     

催化裂化沉降器旋流快分系统分离性能的实验研究与数值模拟

 在FCC沉降器的实验装置上，研究了不同入口处颗粒浓度下旋流快分系统（VQS）分离性能，着重分析入口颗粒浓度对VQS系统内分离效率与压降的影响规律。结果表明，随着入口颗粒浓度的增加，VQS系统的分离效率随之增加，而压降随之减小。采用Fluent软件对VQS系统内气、固两相流进行了数值模拟，并由此估算了不同入口颗粒浓度下VQS系统的压降、颗粒分级分离效率以及总分离效率，计算结果与实验结果吻合情况较好。入口颗粒浓度越高，气相被颗粒相消耗的能量越多，切向速度衰减越明显，从而导致系统压降的降低。同时，入口颗粒浓度的增加导致单位体积内颗粒质量流率增加，重力沉降作用增大，故上行流轴向速度减小，下行流轴向速度增加，有利于颗粒下行分离。此外，颗粒相的存在可有效抑制湍流，降低系统内的湍流强度，这有利于改善颗粒返混，提高系统对中细颗粒的捕集能力，从而提高系统的分离效率。     

人工振动增产理论与试验研究

采用自行设计的人工振动模拟系统,研究了人工振动对岩石渗透率、不同阶段水驱采收率的影响,针对辽河油田试验区块进行了人工振动作用参数的优化。研究表明,人工振动作用可提高岩石的渗透率,提高水驱采收率,降低含水率,且人工振动增产效果与振动参数有关;试验得到的优化参数与现场实际优化参数较吻合。     

页岩气离散裂缝网络模型数值模拟方法研究

页岩气开发已经成为当今世界各国的焦点,然而关于页岩气的理论研究还处于起步阶段。目前关于页岩气数值模拟方法的应用大多局限于常规油气藏数值模拟所采用的连续介质模型,但页岩气藏天然裂缝发育,非均质性强,连续介质模型不能准确表征页岩气特有的渗流特征。基于离散裂缝网络模型(DFN),从渗流理论出发,建立页岩气离散裂缝网络渗流数学模型,表征页岩气在干酪根中的扩散效应,孔壁的吸附—解吸附效应,纳米孔隙中的滑脱效应、Knudsen扩散效应以及裂缝内的非达西渗流规律。利用有限差分法求解渗流方程并进行敏感性分析。最终得出：①页岩气不同生产阶段,产气机理不同|②滑脱效应和Knudsen扩散效应对页岩气产能影响较大,而吸附—解吸附效应和干酪根中的扩散效应对延长页岩气稳产期起到关键作用。通过和现有页岩气数值模拟软件CMG(2012版)计算结果对比,该模型在模拟裂缝性页岩气藏时更符合实际情况,为页岩气数值模拟的研究奠定了基础。