海洋立管渦激振動(dòng)的流固耦合模擬計(jì)算.pdf

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1、第29卷第3期2010年9月海洋技術(shù)OCEANTECHNOLOGYV01．29，No．3Sept，2010海洋立管渦激振動(dòng)的流固耦合模擬計(jì)算趙鵬良1，王嘉松2，蔣世全3，許亮斌3(1．上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2．上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240；3．中海石油研究中心，北京100027)摘要：通過求解粘性Navier-Stokes方程、湍流模型，以及渦激振動(dòng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)方程，實(shí)現(xiàn)流固耦合．運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)．在雷諾數(shù)3125-16250的較大范圍內(nèi)對(duì)立管低質(zhì)量比、小阻尼的情況進(jìn)

2、行了單自由度和兩自由度渦激振動(dòng)的模擬計(jì)算。得到了立管升阻力系數(shù)、位移比和頻率等隨約化速度變化的規(guī)律，捕捉到“鎖定”、“失諧”和“相位開關(guān)”等現(xiàn)象，并與經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果做對(duì)比，效果很好。然后對(duì)兩種自由度的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明在低質(zhì)量情況下流向阻力引起的運(yùn)動(dòng)對(duì)振動(dòng)的影響不能忽略。關(guān)鍵詞：渦激振動(dòng)；流固耦合；數(shù)值模擬；動(dòng)網(wǎng)格中圖分類號(hào)：0351．2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003—2029(2010103—0073塒1引言渦激振動(dòng)(VIV)在工程中是常見的有害現(xiàn)象。因其廣泛存在于土木、航天、海洋和能源等各個(gè)領(lǐng)域而受到重視。尤其是伴隨著

3、能源危機(jī)的加重和石油資源的日益短缺，在海洋油氣開發(fā)中作為連接海洋平臺(tái)和海底的通道的海洋立管的渦激振動(dòng)問題成為近年來研究的熱點(diǎn)。渦激振動(dòng)主要是由于流體流經(jīng)鈍體時(shí)將產(chǎn)生周期性渦的渦脫。伴隨著渦脫產(chǎn)生的周期性的升力和阻力將引起鈍體如立管的周期性振動(dòng)。從而導(dǎo)致柱體的疲勞破壞。當(dāng)振動(dòng)頻率與鈍體的固有頻率相近時(shí)更會(huì)產(chǎn)生“共振”導(dǎo)致破壞。正因?yàn)闇u激振動(dòng)的巨大破壞性，很多學(xué)者對(duì)這個(gè)問題做了卓有成效的研究。Fen一1】對(duì)圓柱體在空氣中的自由振動(dòng)做了研究．Goswami田提出了單自由度(IDOF)模型，Khalak剛等對(duì)低質(zhì)量小阻尼的情況做了實(shí)驗(yàn)，W

4、anderley四。Guilmineaum等對(duì)單自由度渦激振動(dòng)進(jìn)行了模擬。本文運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。求解粘性Navier-Stokes方程、雷諾應(yīng)力湍流模型。以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了流固耦合求解，在較大雷諾數(shù)(約化速度)范圍內(nèi)對(duì)立管低質(zhì)量比、小阻尼的情況進(jìn)行了單自由度和兩自由度渦激振動(dòng)的模擬計(jì)算．捕捉到了該情況下的典型現(xiàn)象．通過與已有試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，論證了方法的可靠性。為進(jìn)一步進(jìn)行深水立管渦激振動(dòng)問題的研究奠定基礎(chǔ)。收稿日期：2010-05--05基金項(xiàng)目：國(guó)家重大專項(xiàng)子課題資助項(xiàng)IiI(2008ZX05026-001)作者簡(jiǎn)介：趙鵬

5、良(1986-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，從事渦激振動(dòng)研究。F-z-maihzhaopengliang@sjtu．edu．cn2數(shù)值計(jì)算方法2．1計(jì)算模型與邊界條件立管振動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為圓柱質(zhì)量一阻尼一彈簧系統(tǒng)。單自由度時(shí)僅考慮橫向(y軸方向)運(yùn)動(dòng)，兩自由度系統(tǒng)則可以同時(shí)沿橫向和流向運(yùn)動(dòng)。計(jì)算中取直徑D取為0．05nl，計(jì)算域50Dx20D，模型上游區(qū)域IOD，尾流區(qū)域40D。2DOF圈1計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分示意圖邊界條件的設(shè)定為。人流面采用速度進(jìn)口；出流面為壓力出口；上下邊界為對(duì)稱邊界條件；立管表面定義為無滑移壁面，運(yùn)動(dòng)通過外加

6、的UDF控制網(wǎng)格變化實(shí)現(xiàn)。本文研究中通過在通用計(jì)算流體軟件Fluent中加入求解振動(dòng)方程的代碼。將其寫入軟件自定義函數(shù)(UDF)中與流動(dòng)控制方程耦合并使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)求解獲得立管單自由度(1DOF)和兩自由度(2DOF)渦激振動(dòng)的結(jié)果。2．2控制方程鈍體繞流的控制方程為粘性不可壓Ⅳ-S方程，在直角坐標(biāo)系下．基于雷諾平均的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：鼉=。rr甲腳三一74海洋技術(shù)第29卷挈+考(而)=一萼+專(∥摹一p—utuj]c2，式札叩麗=以f絲axj+魯]_；p+喀卜為雷諾應(yīng)力；IA為湍動(dòng)粘度；Ui為時(shí)均速度；嘞為克羅內(nèi)克爾符

7、，‘J=1，2；p為水的密度。對(duì)于圖1所示的一階彈簧一阻尼系統(tǒng)．由振動(dòng)理論得出式(3)：彬+毋+砂=只(3)式中：鼻寞多分別為橫向的位移、速度和加速度；m，c，k分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和彈簧的剛度?，F(xiàn)定義皓了1．1礦o，m弋Re=10000時(shí)的升阻力曲線如圖2。從圖2知在Re=10000時(shí)固定情況的平均C≯1．2，幅值CmO．75，快速傅里葉變換后cJ主頻為0．78，相應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)為0．195。通過與以前經(jīng)典結(jié)果對(duì)比(表1)可知固定情況的計(jì)算足夠的精度，確保后面耦合計(jì)算時(shí)CFD模擬的的正確。表1算例結(jié)果對(duì)比CasecdGS￡G

8、opalkrishnan用(1993)1．1860．3840．193Wieselsberge一(Exp1921)1．2360．5760．203Itoht硯(LES2008)1．2630．5760．195Present1．20．750．195一m，乒