风浪流多场耦合作用下海洋立管振动响应研究

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中浅海域海洋环境复杂多变,海洋立管承受风、浪、流的作用,呈现非线性的流固耦合作用。本文利用Fluent软件,通过边界造波法、阻尼消波法和VOF追踪自由表面技术建立风、浪、流多场耦合数值水槽,并在数值水槽中进行海洋立管双向流固耦合数值模拟。主要的研究工作如下:(1)本文构建波浪、波-流耦合、风-浪-流耦合数值环境,通过数值模拟得到压力分布、速度云图、瞬时波浪相云图及波高监测曲线等,与理论计算进行对比验证数值水槽的可靠性。(2)由波浪作用下立管的流固耦合数值模拟研究发现,当立管仅受波浪作用时,在流向上随波浪进行周期性振动,横向振动主要表现为二阶谐力的影响,且随相对水深的增加二阶谐力的影响减弱,并且会在海洋立管周围形成上大下小的漩涡。(3)由波-流耦合作用下立管的流固耦合数值模拟研究发现,立管的流向振动频率为波频,随着相对流速的增加横向振动出现多频现象,横向振动的主频率从2倍波频逐渐变为波频,次频变为2倍波频,且出现的三阶次频,横向振动平衡位置随相对流速增加线性减小,更大的相对流速会使漩涡更早的泄放。(4)由风-浪-流耦合作用下立管的流固耦合数值模拟研究发现,立管在风-浪-流耦合作用时与波-流耦合作用下振动响应大致相同,风场的变化对海洋立管振动影响较小。(5)本文数值模拟得到的立管流向振幅量级为10-3m,横向振幅量级在10-5m到10-4m之间,这可能由于模拟选取的立管刚度较大、长径比较小以及立管所处的约化速度较小等原因共同造成,今后可开展大长径比、柔性管的振动响应模拟,以便于更好的剖析各场贡献度。
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