高雷诺数下柔性立管群涡激振动及其多频锁定研究

Under the action of incoming flow the vortexes are shed from the surface of risers periodically and produce horizontal and vertical movements, which is called Vortex induced vibration (VIV). The VIV of a cluster of risers produces multiple-frequency lock-in emerges, and an individual riser can have significantly larger amplitudes of vibration than the rest of risers. This study therefore deals with a cluster of offshore flexible risers in 3,000m water depth based on the vibration characteristics. The numerical prediction model of riser cluster’s VIV is established based on the Lagrangian method of Instantaneous Vorticity Conserved Boundary Conditions (IVCBC) early refined by author. The vibration characteristics and mechanism of individual risers are revealed using nonlinear fluid-structure interaction as the main numerical approach. Numerical studies of optimization are carried out for different combinations of risers in size and in space. Verification of the optimized cluster is performed by model tests under typical ocean conditions. This study will help to understand the large amplitude vibration of individual risers subjected to multiple-frequency lock-in with high Reynolds number, as a reference for industrial design and structural safety considerations. The objective is to develop a high precision commercial software for efficiently analyzing the VIV of flexible risers.

涡激振动是指立管在来流作用下引起周期性的漩涡脱落，产生横向和纵向运动的现象。柔性立管群涡激振动导致立管振动产生多频锁定现象，诱发个别立管出现大幅值振动。针对对这一现象，本项目利用申请人提出的瞬时涡量守恒涡方法（IVCBC）的优点，基于前期已积累的工作成果，以三千米水深柔性立管群的涡激振动为研究对象，建立管群涡激振动的拉格朗日数值预报模型；以非线性流固耦合数值模拟为主要手段，获得立管群涡激振动诱发多频锁定的主要特征，揭示个别立管大幅振动的原因和形成机制；构造立管群不同的空间组合，进行管群结构的数值优化研究，并通过典型工况下管群结构模型实验，验证优化后结构的力学性能；研究结果将增加我们对管群在高雷诺数下个别立管的多频锁定和大幅振动的认识，并为海洋工程中深海柔性立管的设计制造和安全应用提供参考和理论依据，最终开发出计算柔性立管群涡激振动特性精度较高的商业软件。

基于瞬时涡量守恒方法，提出处理点涡进入双圆柱的处理方案，提高了双立管水动力的计算精度；基于有限体积方法和“索”模型，分析立管刚度矩阵的时变特性，提出了一种求解具有时变性的刚度矩阵的方法，建立了研究高雷诺数下多立管涡激振动特性的三维数值计算模型，通过与双立管的试验比对，验证了该方法的准确性。. 采用双立管试验的计算参数研究了相同来流作用下，间距比分别为2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5、3.75时，且前、后立管直径比为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0、5.0时，立管的涡激振动特性。结果表明：在这个间距比区域，随着直径比的增加，后立管发生大幅值振动的间距比增加，振动的幅值增强，分析表明：产生这一现象的主要原因是两立管之间出现了完整的涡对，后立管的水动特性发生突变，导致涡激力增强；在相同的间距比下，当直径比大于1，前立管脱离的涡流强度增强，致后立管场区产生更大的升力，从而增加后立管的振动幅值, 出现大幅值振动和多频效应。同时发现一个有趣的现象，在两根立管振动过程中，一旦立管之间的间距比小于1.5时，两立管将会迅速靠近。. 研究了相同直径的三根立管间距比分别为2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5、3.75时的立管涡激振动特性，研究表明：立管在间距比为3.75时，发生的振幅最大，其原因是：前两根立管剪切层分离的涡流，导致后立管周围速度差较大，产生更大的升力，从而导致立管发生大幅值偏移和振动。. 目前这套多立管涡激振动的数值计算方法已经应用到工程设计中，并逐步商业化。为预测、诊断、分析和设计多立管涡激振动，提供了一种手段。大幅值振动区域的研究和立管前后不同直径圆柱的数值计算，为立管的设计提供了必要的设计指导。