深水隔水管涡激振动抑制装置的高精度流固耦合模拟研究

在深海油气勘探开发作业中，不可避免面临海流诱发长细柔性隔水管的涡激振动（VIV）而导致的疲劳破坏问题,有效的方法是附加VIV抑制装置。传统方法未考虑隔水管抑制装置在振动情况下的控制效应，如何准确评价隔水管及其VIV抑制装置控制振动的动力学机制及效果是解决隔水管安全保障问题的核心科学问题。本课题提出构建高精度流固耦合算法研究深水隔水管VIV抑制装置的动力学机制。主要内容包括：在流动精确模拟方面，基于新提出的速度向量转化方法（EVVT）构造先进的高分辨率CFD模拟模型；在结构动力响应方面，研究先进的振动方程求解算法；在流固耦合方面，研究合适的动网格处理技术和耦合求解方法，最终建立起深水隔水管及其附加装置流固耦合求解的高精度数值模拟方法。进而通过大量的并行计算揭示隔水管VIV抑制结构系统的动力学特性及VIV控制机理。

本课题利用研究者改进的关于组合型单参数限量函数的TVD类格式，导出了一般不可压缩流动方程组的特征解耦计算式，在时间离散方案上利用双时间步法，在空间离散方案上基于新提出的速度向量分解（EVVT）方法，建立了基于有限体积的TVD格式，优选了湍流模型，为圆柱层流和湍流流动的数值模拟提供了高精度高分辨率算法。所得到的结果，与相同雷诺数条件下隔水管风洞模型的关键动力学参数与流场特征的实验结果相比，误差均在5%以下，吻合很好；提出了隔水管涡激振动计算的动网格分析的线性插值法，数值实验表明简单高效；采用四阶龙格-库塔方法或欧拉法求解结构响应动力学模型并耦合高分辨率流动计算模型，获得了隔水管VIV分析的关键技术；设计了深水隔水管涡激振动抑制装置，如分离盘、整流罩、附属管等的关键结构和几何参数；研究表明，涡激振动特性与约化速度、雷诺数、质量比、阻尼比等因素有关；在水平面内，二维涡激振动呈典型的8字形轨迹，三维涡激振动呈变型的8字形轨迹；当约化速度较小和较大时，运动轨迹的最大振幅较小；当约化速度在4.5~8.0时，频率比接近于1，运动轨迹的最大振幅较大；增加隔水管质量比，可以减小隔水管涡激振动幅值；增加隔水管阻尼比和增大隔水管顶部张力，可以减小隔水管涡激振动幅值，都可以一定程度抑制隔水管的涡激振动；分离盘、整流罩、附属管等附加装置对隔水管的涡激振动有很好的抑制作用，特别是优化的结构和几何参数可以抑制振动振幅达到80%～95%以上；针对直径0.5334m、长径比643的隔水管在均匀流（0.8m/s）和线性变化梯度流（0.1～1.5m/s）情形下的VIV问题进行了三维流固耦合数值模拟。结果表明，隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象，均匀流运动轨迹呈现变形的“8”字形，梯度流下隔水管在大多数情况下的变形无“8”字型特征；均匀流与梯度流产生的线内振动差别不大，但横向振动差别明显；横流向振动的均方根位移都呈5阶模态。

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