摘 要

在响应国家战略开发海洋资源的过程中，海洋平台起到了首屈一指的作用。这里要研究的就是海洋平台中最为关键的问题之一，海洋立管的涡激振动问题。其实不光是海洋立管，海洋平台中有很多长柔性圆柱截面的管道。涡激振动是海水的流动对立管振动产生影响，反过来立管的振动又会影响流场的这样一个相互影响的耦合的问题。

总而言之，涡激振动会对立管结构产生破坏。本论文主要研究了雷诺数200下的圆柱绕流和受迫振动圆柱。对于圆柱绕流，将其与经典实验数据和之前的研究做了比较。对于圆柱的受迫振动，计算得到了阻力和升力系数并和圆柱绕流的阻力和升力系数进行了比较，阻力系数变大，升力系数变小。通过对涡量图的观察得出脱涡频率并结合公式得到了验证。

关键词：雷诺数200，涡激振动，横向受迫振动，圆柱绕流

Abstract

In the process of developing marine resources in response to national strategies, the offshore platform has played a leading role. Here to study is one of the most critical issues in the offshore platform, the vortex-induced vibration of marine risers. In fact, not only the ocean stand, offshore platform, there are many long flexible cylindrical cross-section of the pipeline. Vortex-induced vibrations are the effects of the flow of the seawater on the vibrations of the riser, which in turn affects the coupling of such a mutual influence of the flow field.

     In general, vortex-induced vibration will damage the riser structure. This paper mainly studies the cylindrical flow around the Reynolds number 200 and the forced vibration cylinder. For the flow around the cylinder, it is compared with the classical experimental data and previous studies. For the forced vibration of the cylinder, the resistance and lift coefficient are calculated and compared with the resistance and lift coefficient of the flow around the cylinder, the drag coefficient becomes larger and the lift coefficient becomes smaller. The vortex frequency is obtained by observing the vorticity diagram and verified by the formula.

Key Words：Reynolds number 200，vortex-induced vibration，forced transverse-oscillating ，flow around a circular cylinder

目录

第1章 绪论 1

1.1背景与研究现状 1

1.2数值模拟 1

1.3 OpenFOAM简介 3

1.4求解器和算法 4

第2章 圆柱绕流计算 5

2.1圆柱绕流计算模型 5

2.1.1控制方程及控制参数 5

2.1.2湍流模型 6

2.1.3边界条件 7

2.1.4离散格式 9

2.1.5模型构建与网格生成 11

2.2网格依赖性分析 12

2.3圆柱绕流计算结果 14

第3章 圆柱涡激振动计算 18

3.1圆柱振动计算模型 18

3.1.1控制方程 18

3.1.2圆柱涡脱模式 18

3.1.3动网格技术 20

3.1.4边界条件 24

3.2计算结果 25

第4章 总结与展望 32

4.1总结与分析 32

4.2未来与展望 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1背景与研究现状

众所周知，地球上的不可再生资源并不是取之不尽的，石油是一种高效能的不可再生资源，全世界各国的学者们早已经关注海洋石油的开采问题。想要使得石油开采技术日臻成熟，海洋平台的建造工艺等诸多问题是海工人当今正面对的。依托海面大型石油钻井平台的深海石油开采最薄弱的环节是平台结构中的海洋立管，而且海洋立管也是海洋平台的必要构成部分，因此，海洋立管的研究早已是国内外油气开发的重中之重。

立管是暴露于各种海洋条件的长柔性圆柱体。 它们连接海底与石油生产海上平台。 一些浮动平台沿着大西洋的大陆架安装，水深超过1000m是常见的。 在这种情况下，对引起立管的振动和疲劳的涡流动力学的深入研究十分紧迫。

最近的研究集中在获得可靠的程序来模拟长立管上的涡流振动。 Wildden和Graham（2001）^[1]采用综合方法来检查海洋立管上的流体 - 结构相互作用。 其方法的结构部分与我们的模拟中使用的方法类似。 然而，他们使用的是基于综合方程的涡流法，需要一个网格来评估涡度的扩散。 即使他们的方案是非常准确的，但是从计算的角度来看更加苛刻。 使用涡旋法的类似方法可以在Herfjord^[2]等人的成果中找到。Wang(2001)^[3]等人还采用有限元法研究了约60的纵横比的弹性圆柱体周围的流动。So(2003)^[4] et al开发了一种网格形状保存技术来模拟两个振荡圆柱体。

必须提到的是其他参考文献是Evangelinos（2001）^[5]和Lucor等人的众多成果。 如Karniadakis和Sherwin（1999）^[6]所述的频谱元素方法已被用于研究流动 - 结构相互作用。 他们利用一个完全三维的代码来研究涡激振动。他们的模拟在低雷诺数下进行，结果表明这种高阶方法的也适用基础研究。

Patel和Witz（1991）^[7]和Ferrari（1985）^[8]基于用于梁单元的有限元技术开发了一个单立管的结构模型。 在Ferrari之后，一种静态模型被用于获得特征值问题的解，评估固有频率和本征模式。使用这种方法，节点可以自由旋转并且可以垂直，横向和直线方向上产生位移。