流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验研究

论文摘要

伴随世界海洋油气工业向深海进军的热潮,对深海立管涡激振动问题的研究现在正成为整个深海油气开发技术研究领域里的热点。对于细长柔性管件涡激振动的研究,实验是目前最可靠和最主要的研究手段之一。在整个海洋水深范围内,不但有表层流动,也有靠近海底的流动,甚至也会出现中部水深处的突发激流。深海立管必然长期遭受这种流速分层流场的作用。目前,世界上研究较多的是在均匀流场及剪切流场中细长柔性立管的涡激振动。但是,对流速分层流场中细长柔性立管涡激振动问题的实验研究很少涉及。在独立开发出拖曳水池中流速增大装置的基础上,本论文完成了流速分层流场中细长柔性立管涡激振动的实验研究。经数值实验和水池实验的研究,流速增大装置可以在其内部一定区域获得明显高于拖车车速且平稳、均匀的流场,同时流速增大装置对其以外的流场影响很小。利用流速增大装置在立管外制造流速增大层,并进而完成流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验是可行的。本实验中主要测量仪器为应变片,等间距布置于立管流向和垂直流向上。在对实验数据进行处理分析后,主要得到了以下几点结论:1,立管在流向上会因流体拖曳力的作用而出现弯曲,流速增大层会使这条弯曲曲线的最大弯曲点往流速增大层的作用段移动;2,立管表面流向应变标准差基本上会随着立管Re数水平的增大而增大,立管表面垂直流向应变标准差会随着立管Re数水平的增大而出现一些起伏;3,立管流向振动和垂直流向振动的阶数都会随着立管外Re数水平的上升而缓慢增多,立管流向振动阶数与垂直流向振动阶数基本一致;4,在分层流场的某些流速条件下立管垂直流向振动将与拍振动类似;5,在分层流场中,立管外Re数水平较低和较高时立管流向振动在频域内分布比较分散,立管外Re数水平适中时,流向振动在频域内分布比较集中;6,立管外Re数水平较高时的频域内分散式分布的立管流向振动频率水平低于立管外Re数水平适中时的集中式立管流向振动的频率水平;7,在分层流场中,立管外Re数水平较高时立管垂直流向振动在频域内分布比较分散,立管外Re数水平较低及适中时,垂直流向振动在频域内分布比较集中;8,立管垂直流向振动的频率水平基本上会随着立管外Re数水平的增大而增大;9,立管垂直流向振动频率分布的集中性要好于立管流向振动频率分布;10,立管流向振动的频率水平于垂直流向振动的频率水平相差不大

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 细长柔性立管涡激振动实验研究的背景及意义
• 1.2 细长柔性立管涡激振动的基本概念与基本参数
• 1.3 细长柔性立管涡激振动的预报模型研究现状
• 1.3.1 细长柔性立管涡激振动预报的经验模型
• 1.3.2 细长柔性立管涡激振动预报的CFD 模型
• 1.4 细长柔性立管涡激振动的实验研究综述
• 1.4.1 在天然水域进行的细长柔性立管涡激振动实验
• 1.4.2 在人工水池中进行的细长柔性立管涡激振动实验
• 1.4.3 细长柔性立管涡激振动实验研究的总结分析
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 流速增大装置的开发及数值实验研究
• 2.1 前言
• 2.2 流速增大装置的基本概念
• 2.3 进流段曲面和出流段曲面的优选
• 2.3.1 进流段曲线方程
• 2.3.2 数值模型
• 2.3.3 计算结果与分析
• 2.4 流速增大装置三维数值实验
• 2.4.1 数值实验流速增大装置的几何模型
• 2.4.2 流速增大装置数值实验的网格模型
• 2.4.3 流速增大装置数值实验的计算条件及计算工况
• 2.4.4 流速增大装置数值实验的结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 流速增大装置的水池实验研究
• 3.1 前言
• 3.2 流速增大装置各部分结构详细设计
• 3.2.1 流速增大装置面板设计
• 3.2.2 流速增大装置边板设计
• 3.2.3 尾部稳流板设计
• 3.2.4 增流体结构设计
• 3.2.5 流速增大装置挂柱结构设计
• 3.2.6 固定流速仪结构设计
• 3.3 流速增大装置水池实验
• 3.3.1 实验设施、仪器及工况
• 3.3.2 流速增大装置水池实验的数据分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验研究
• 4.1 前言
• 4.2 实际海洋中的流场情况
• 4.3 流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验研究的意义
• 4.4 流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验装置
• 4.4.1 流速分层流场的实现
• 4.4.2 流速增大装置内立管和流速仪探针的位置
• 4.4.3 端部支撑机构
• 4.4.4 实验立管参数
• 4.4.5 测量仪器及采集系统
• 4.4.6 实验工况
• 4.5 流速增大装置边板开孔对流速增大区域流场的影响
• 4.6 立管涡激振动实验结果分析
• 4.6.1 立管外流场
• 4.6.2 应变片测量结果总体分析
• 4.6.3 应变与位移的转化及振动模态分析
• 4.6.4 立管涡激振动的频谱分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文的主要研究工作及总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表（或录用）学术论文、专著情况
• 在学期间科研成果、获奖及专利情况
• 参考文献