柔性圆柱群的流动干涉和涡激振动研究

Flexible risers of the deep-sea oil production engineering are generally arranged in groups. Due to flow interference effect, the response characteristic of vortex induced vibration (VIV) of multiple risers are quite different from the single riser, while the research about this problem is sorely lacking at present. This project will study flow interference and VIV of flexible cylinder group by means of combining the experiment and numerical simulation, which includes: (1) By using a three-dimensional (3D) noncontact measurement technology, the experiment will be carried out to measure the structural vibration response and 3D velocity field of fluid. (2) A 3D fluid-structure coupling numerical model will be established to conduct the simulation, the flow condition will be expended to shear flow and higher Reynolds number, the change of physical properties of cylinders and more complicated arrangements will be considered, and richer numerical results including pressure field and so on will be obtained. (3) According to the comprehensive analysis of experimental and numerical results, the relationship between flow condition, arrangement, structural physical property and structural dynamic response, hydrodynamic characteristic will be studied, and the basic physical mechanism of VIV of flexible cylinder group under the flow interference will be revealed. The implementation of this project will provide experimental data and theoretical basis to fatigue forecast analysis of practical deep-sea riser group, and an effective 3D numerical analysis tool to extensive fluid-structure interaction problems.

深海油气开发工程中柔性立管常以管群形式出现，由于流动干涉作用，多根立管的涡激振动响应特性与单根立管大不相同，而目前对该问题的研究工作非常缺乏。本项目将通过实验和数值模拟相结合的方法研究柔性圆柱群的流动干涉和涡激振动，包括：（1）开展物模实验，利用三维非接触测量技术，在均匀流和不同空间布置形式下，测量得到结构振动响应和流体三维速度场实验结果；（2）建立三维流固耦合数值模型，开展数值模拟将流场条件扩展到剪切流和更高雷诺数范围，考虑圆柱体物理特性的变化以及更复杂的布置形式，获得包括压力场等更丰富的数值计算结果。（3）通过综合分析实验和数值结果，研究流场条件、布置形式和结构物理特性与结构动力响应和水动力特性的依赖关系，揭示流动干涉作用下柔性圆柱群涡激振动的基本物理机理。本项目的实施将为实际工程深海立管群的疲劳预报分析提供实验资料和理论依据，为广泛的流固耦合问题提供有力的三维数值分析工具。

深海油气开发工程中柔性立管常以管群形式出现，由于流动干涉作用，多根立管的涡激振动响应特性与单根立管大不相同，而目前对该问题的研究工作非常缺乏。本项目通过实验和数值模拟相结合的方法研究了柔性圆柱群的流动干涉和涡激振动，包括：（1）开展物模实验，利用三维运动捕捉技术，在均匀流和不同空间布置形式下，激励和准确测量了柔性圆柱群的多模态振动响应。系统地分析了柔性圆柱位移振幅和振动频率随约化速度的变化规律、横流向和顺流向振动的相位关系以及张力的影响作用，研究了柔性圆柱体的涡激振动响应特性。（2）建立了适用于求解湍流态高雷诺数问题的准三维和完全三维流固耦合数值模型，开展数值模拟研究了串列双柔性圆柱和主圆柱周围布置多根附属小圆柱的柔性圆柱群，获得了流体力、涡量场等数值计算结果。研究了各柔性圆柱的升阻力幅值和振荡特性随相关无量纲参数的变化规律，考察了流动干涉作用对流体力的影响。分析了流体力-结构运动的相位差和流体-结构的能量传递关系，深入了解绕流场的流动模式和涡脱落形态，探讨了流动干涉和结构振动的耦合作用机制。（3）通过综合分析实验和数值结果，研究流场条件、布置形式和结构物理特性与结构动力响应和水动力特性的依赖关系，分析了响应特性以及柱间振动的相互影响机制，探讨了流动干涉作用下柔性圆柱群涡激振动的物理机理。本项目的实施为实际工程柔性立管群的响应分析、疲劳预报和布局优化提供了实验资料和理论依据，为柔性圆柱涡激振动问题以及更加广泛的流体-结构耦合作用问题提供了强有力的数值分析工具。