《多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究（174页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、y y、f m | I i I I 0 帅洲| J J J I l | | J I | Y 19 2 8 3 9 7 多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 注； 翅逡查墓他盖蔓挂别应明趁：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者躲
2、研i 千签字瞧圳年嘶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中国学 术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入C N K I 中国知识资源总库，授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：2 0 l |
3、年月工日 钎吁 一字：弓 签字日期：列1 年6 月2R I nC a n d i d a c yf o rt h eD o c t o r D e g r e ei nH a r b o r ，C o a s t a la n d O f f s h o r eE n g i n e e r i n g 一一 O c e a nU n i v e r s i t yo fC h i n a J u n 2 0 1 1 多柱体系统静止绕流与涡激振动的试验及数值研究 捅要 多柱( 管) 系统作为深海油气开采中普遍采用的一种结构形式，在海洋工程中得 到了广泛的应用，由于其排列密集，极易在波、浪、流等
4、联合作用下发生相互碰撞， 造成破坏，对多柱( 管) 体系统的静止绕流及耦合共振现象的研究越来越受到海洋工 程界的关注。由于技术需求和经济考虑，在海底管线铺设过程中往往采用直径不等的 多柱( 管) 体系统，然而目前对于直径不等的多柱( 管) 体系统静止绕流与由此诱发 的振动等诸多问题尚未得到深入地研究，针对该情况，本文采用物理模型试验与数值 模拟相结合的方法开展了直径不等的多柱体系统的静止绕流及涡激振动现象的研究， 本文研究工作可为海洋工程中直径不等的多柱体系统的优化设计提供试验依据。 通过粒子图像测速( P I V ) 技术开展了直径不等的多柱体在静止绕流及涡激振动情况 下的时均、瞬时尾流特征
5、的试验研究，获得了瞬时的速度矢量、涡量等值线及时均的 速度矢量、流线拓扑、涡量等值线、无因次雷诺应力等值线等，探讨了间距比对直径 不等的多柱体后的时均、瞬时尾流形态、旋涡脱落频率、涡激振动振幅等的影响，从 可视化的角度揭示了直径不等的并列圆柱中出现的间隙流交替偏斜现象的产生机制。 通过计算流体力学( C F D ) 技术对直径不等的多柱体静止绕流及涡激振动现象进行 了数值模拟研究。在直径不等的多柱体静止绕流的数值研究中，主要分析了直径不等 的并列圆柱在大间距条件下瞬时流场中同相位与反相位旋涡交替脱落的演化过程，总 结了该现象的产生原因；研究了直径不等的串列圆柱后的双稳态流现象。在串列下游 小直
6、径圆柱的涡激振动的数值研究中，主要分析了不同间距条件下的串列圆柱的升力 系数、振幅的时程曲线及两柱后的瞬时尾流形态。 通过物理模型试验及数值模拟研究发现间距对直径不等的多柱体后的尾流特征有 很大影响。直径不等的并列双柱在不同的间距下存在不同的尾流形态：偏态流形态及 不同尺度的旋涡脱落形态。直径不等的串列圆柱在不同间距下的尾流形态可分为单一 旋涡脱落、双稳态流及双旋涡脱落形态，其中双稳态流发生的间距范围与上、下游圆 柱的直径比有关，其范围随着上、下游圆柱直径比的增大而减小。在串列下游小直径 圆柱涡激振动研究中发现间距对上、下游圆柱的结构动力响应、尾流形态会产生一定 影响。随着间距的增大，下游振动
7、圆柱的振幅逐渐增大，上、下游圆柱后的旋涡脱落 频率也逐渐增大。 关键词：直径不等；多柱体；静止绕流；涡激振动；粒子图像测速技术；数值模拟； 尾流形态 E x p e r i m e n t a la n dN u m e r i c a lS t u d yo nF l o wB e h a v i o r sb e h i n d M u l t i p l eS t a t i o n a r yC y l i n d e r sa n dV o r t e x - I n d u c e dV i b r a t i o n so f O s c i l l a t i n gC y l
8、 i n d e r A b s t r a c t M u l t i p l e - p i p e l i n e s o r c y l i n d e r s a r e w i d e l ya p p l i e do nt h eo f f s h o r ee n g i n e e r i n g ， e s p e c i a l l y f o r t h e e x p l o r a t i o no fd e 印一s e ao i l a n dg a sf i e l d s H o w e v e r ，d u et ot i g h t a r r a n
9、g e m e n t ，t h e yc o u l db ee a s i l yd a m a g e du n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t so ft h ew a v ea n d c u r r e n t T h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i do nt h ef l o wb e h a v i o rb e h i n d m u l t i p l ec y l i n d e r sa n dt h ep h e
10、 n o m e n o no fv o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o nW I V ) A d d i t i o n a l l y ，a p i g g y b a c kp i p e l i n ew h i c hc o m p r i s e so fo n es m a l lp i p ea n dal a r g ep i p e ，i su s u a l l ya p p l i e di n o f f s h o r eo i la n dg a s e x p l o r a t i o n sd u e t ot
11、h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s a n de c o n o m i c a l c o n s i d e r a t i o n s H o w e v e r ，t h e r eh a sn o tb e e ne x t e n s i v er e s e a r c ho nf l o wa r o u n dt w oc y l i n d e r s o fd i f f e r e n td i a m e t e r s M o s to ft h er e p o r t e ds t u d i e so nt
12、 w o c y l i n d e rc o n f i g u r a t i o n sa r e c o n c e m e dw i t ht w oc y l i n d e r so fa ni d e n t i c a ld i a m e t e r T h ea i mo ft h i ss t u d yi st oi n v e s t i g a t e t h ef l o wb e h a v i o r sa r o u n dm u l t i p l ec y l i n d e r sw i t hu n e q u a ld i a m e t e r
13、 sb a s e do ne x p e r i m e n t s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n T w os e t so fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tu s i n gt h ew a t e rc h a n n e la n dp a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ( P i V ) t e c h n i q u et oi n v e s t i g a t et h ef l o wc h a r a c
14、t e r i s t i c sb e h i n dm u l t i p l ec y l i n d e r s ： o n ei sf o c u s e do nf l o wa r o u n dt w os t a t i o n a r yc i r c u l a rc y l i n d e r so fu n e q u a ld i a m e t e r sw i t h s i d e b y - s i d ea n dt a n d e ma r r a n g e m e n t s ；t h eo t h e ri sf o c u s e do nt h
15、 es t u d yo fa l lo s c i l l a t i n g c y l i n d e ri nt h ew a k eo fa nu p s t r e a ms t a t i o n a r yc y l i n d e r ，w h e r et h el a r g e rc y l i n d e ri sf i x e da t b o t he n d sw h i l et h ed o w n s t r e a mc y l i n d e ri sm o u n t e de l a s t i c a l l yb y s p r i n g s
16、t ol i m i ti t sm o t i o n t oc r o s s f l o wd i r e c t i o no n l y I n s t a n t a n e o u sa n dt i m e a v e r a g e dw a k e p a t t e r n s o fv e l o c i t y ，s t r e a m l i n e t o p o l o g y , v o r t i c i t ya n dn o r m a l i z e dR e y n o l d ss t r e s sc o n t o u r sa leo b t a i n e df r o mt h ec r o s s - c o r r e l a t i o n a n a l y s i sr e s u l t so ft h ei m a g e sc a p t u r e db yt h eC C Dc a m e r a
