小圆柱影响下圆柱流致振动特性研究

Marine riser is the core component of offshore oil platform. The fluid-structure interaction of risers is a key problem in offshore safe production. This work aims to investigate systematically the flow-induced vibration characteristics of the larger cylinder (elastically-mounted, diameter D) under the effect of another smaller cylinder (fix-supported, diameter d). The diameter ratio of the cylinders is d/D = 0.4. And the spacing ratio L/d and azimuth angle θ vary as L/d = 0.75-5.5 and θ = 0°-180°, where L is the difference between the distance of the two centers and D/2, and θ is the inclined angle of the line connecting the two centers and incoming flow. The study will (1) to analyze the vibration characteristics of the larger cylinder and flow structures around it when it's under the influence of another smaller cylinder at different L/d and θ, and reveal the underlying physics (enhancement or suppression of vibration) ; (2) to find out the effects of mass-damping ratio m*ζ and degree-of-freedom on the vibration of the cylinder when it is affected by another smaller cylinder. The results will provide a theoretical foundation for the design of risers and other cylindrical structures in group.

海洋立管是海底石油钻井平台的核心部件。立管群工作时产生的流固耦合是海洋安全生产的关键问题。双圆柱是研究立管群流固耦合的基础模型。本项目拟系统研究小圆柱（固定，直径为d）影响下大圆柱（弹性支撑，直径为D）流致振动特性。两圆柱的直径比为d/D = 0.4，间距比L/d和方位角θ变化范围分别为L/d = 0.75-5.5和θ = 0°-180°，其中L为两圆柱圆心距离与D/2之差，θ为两圆柱圆心连线与来流夹角。研究将（1）分析不同L/d和θ时，小圆柱影响下大圆柱的振动以及周围流动结构特征，揭示振动加强和被抑制的内在机理；（2）得出质量-阻尼系数m*ζ、自由度对小圆柱作用下大圆柱流致振动影响规律。结果将对立管群及其它柱群结构的设计提供理论基础。

海洋中蕴含着丰富的油气资源，在对其开采时会遇到立管的流致振动问题，而立管是连接浮游平台至海底平面的重要元件，若其受到破坏后果将不堪设想。立管大多为柱体，为了简化问题，可以将其视为单个圆柱，同时立管往往不会单个使用，而是由多个立管组成立管群，因此双圆柱绕流系统是分析立管群流质振动特性的基础模型。随着《中国制造2025》计划中对于海洋工程装备制造业的发展需求，围绕双圆柱绕流这一基础性问题开展理论研究，可以为国家实施海洋强国战略提供重要基础和支撑。然而通过对现有文献调研发现，对于不等直径双圆柱流致振动问题的研究还较为欠缺，特别是一个圆柱固定，另一个圆柱可自由振动的情况。基于此，本项目借助数值模拟软件Star-ccm+，首先对单圆柱及固定小圆柱影响下的大圆柱在低雷诺数下开展二维数值模拟研究，根据计算结果，揭示了质量比m*(1~300)、阻尼比ζ(0~1)及综合参数质量阻尼比m*ζ(0.1~1)对圆柱涡激振动特性的影响。随后，单圆柱及固定小圆柱影响下的大圆柱在中高雷诺数下开展三维数值模拟研究，获得了大圆柱在Ur=2~12范围内的涡激振动响应，分析得到在间距比L/d=3.0时，小圆柱摆放角度对大圆柱涡激振动的影响。为了验证上述三维数值模拟结果的正确性，开展了对应分析模型的实验研究，实验结果证实了上述数值模拟分析的正确性及可靠性。本项目的研究结果一定程度上填补了双圆柱流致振动问题存在的空白，为后续进一步的研究奠定了理论基础。