深水钻井隔水管柱自激振动响应分析

深水钻井隔水管柱自激振动响应分析 深水钻井隔水管柱自激振动响应分析 51卷增刊2 2Ol0年12月 t{J困造船 SHJPBUJLDINGOFCHJNA Vo1.51Special2 Dec.2O】0 文章编号:1000—4882(2010)S2.028—06 深水钻井隔水管柱自激振动响应分析 孙友义1,2陈国明,鞠少栋 (1.中国石油大学海洋油气装备与安全技术研兖中心,东营257061; 2.中海油研究总院技术研发中心博士后工作站,北京100027) 捅姜 基于RNGk一,湍流模型与动网格技术,针对隔水管在海洋环境中的实际雷诺数范围,对管柱涡激振动进 行数值模拟.数值模拟再现了圆柱响应的三个分支:初始分支,高幅分支与低幅分支,与经典实验吻合良 好,同时清晰地捕捉到了漩涡泄放的2s模式与2P模式.研究发现在解锁区内存在一个振幅显着低于低幅分 支且大小稳定的响应分支,其响应频率仍锁定在固有频率上,称之为"超低幅分支".在低幅分支与超低 幅分支中,发现升力系数中存在高阶频率;升力系数中高阶频率的出现是导致圆柱响应由高幅分支向低幅 分支转变的主要原因. 关键词:隔水管;涡激振动;数值模拟;动网格;响应分支 0引言 关于圆柱体涡激振动的数值模拟,国内外学者已做了较多的研究工作.这些工作多 局限于低霄诺 数,同时对受迫振动的关注远多于自激振动.实际的海洋细长结构物所处雷诺数范围在lxl04~lx10 之问,且其振动形式是自激的.管受迫振动的预测结果对于自激振动预测具有借鉴意义,但二者从 本质_卜仍有很大不同,如受迫振动中观察到的某些漩涡泄放形式(如P+S模式)不会出现在自激振动中. 由于VIV涉及到许多复杂的物理现象如湍流,流耦合,加上数值计算内在的不稳定性及精度问题, 使得VIV的数值模拟异常困难,少有计算结果能够精确再现经典的实验结果.目前模型实验难以模拟 高雷诺数环境,对高雷诺数下的圆柱VIV进行数值模拟就变得尤为重要.本文对维圆柱的自激振动 进行数值模拟,针对隔水管在海洋环境中的真实雷诺数火小进行仿真,较好地再现了Khalak, Williamson以及Govardhan等[1-5]关于低质量阻尼圆柱体涡激振动的实验结果. 1分析方法与分析模型 1.1流体动力学控制方程 对于二维平面势流问题,忽略流体的呵压缩性,以及流动过程中的热量传递与气泡产生,则 质繁守恒方程(连续方程)与动量守恒方程(N—S方程)可以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示如下: V?v=0(1) 8t+(V.')v=VL . Vp十(2) 金项目:嘲家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ("863"汁划)资助项目(No.2006AA09A106—4) 孙友义,等:深水钻t隔水管柱Irj激振动响应分析29 式中,为速度矢量:v表示散度;,为体力矢量;为流体密度;P为流体微元体上的压力;为 流体动力粘性系数.连续方程和N.S方程是流场控制基本方程,结合具体边界条件和初始条件使得方 程封闭,可以求解得到流场分布. 实际海洋环境下,隔水管所在海水流动往往处于湍流状态.湍流状态下,流动微粒随机性较强, 流动呈混乱状态,这时即使边界条件保持不变,流动也不是稳定的.一般认为,无论湍流运动多么复 杂,非稳态的连续方程StlN.S方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的. 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中广为采刖的方法是对瞬 态N—S方程做时间平均处理,同时补充反映湍流特性的其他方程,如湍动能方程和湍动耗散率方程等. Reynolds平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法.笔者采用RNGk一模型模拟湍流宏观效 应,结合非平衡壁面函数能够很好地处理壁面流体剪切层分离流动. RNGk-e模型中,湍动能和湍动耗散率s对应的输运方程为loJ: dt += 丢dx)卦Gk+占(3)..『OI +=()考f+孚Gk-C2~pTc4 式中,为湍动粘度:G是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;,,,C2为经验 系数. 1.2弹簧振子模型 以弹簧振子模型(如图1所示)描述圆柱体的单自由度振动,振动控制方程为: (m+11"1)++= C=2(I11+A) k=(m+m) 式中,m为圆柱质量:m为流体附加质量;C,k分别为振子的阻尼系数与刚度系数; 流体中的固有频率;为振予的结构阻尼比;为作用在圆柱体上的升力. (5) (6) (7) 为振子在 图1!赞振子模型 1.3流固耦合运动模拟 米流绕过圆柱将在其背后形成漩涡,交替泄放的漩涡将对圆柱施加脉动变化的升力,从而激励圆 柱在横流方向产生振动,而圆柱振动又反过来控制漩涡泄放的过程.涡激振动是一种强烈的流固耦合 运动,对流固耦合作用的模拟直接决定着漩涡泄放形式与柱响应特性的预测准确度.用FLUENT程 序中的动格技术模拟边界运动引起的流场形态随时间变化的问题,通过用户自定义函数(UDF)接口 将计算网柱响应的积分代码嵌入FLUENT,结合动刚格技术实现对结构域与流体域的耦合作用的模 拟. 1.4分析模型 30学术沦文 取单位长度钻井隔水管在海水中的振动质量m+m=1000kg,质量比=,=3.4;主管外 径D=0.5334m;海水中的白振频率为=0.1Hz.隔水管结构的结构阻尼比在0.3%-2%之间,动态 分析时一般取在0.5%,1.5%之间,而在VIV分析时一般取在0.3%,l%之间.数值模拟时,针对取0.35% 与l%两种情形进行分析. 在约化速度为2,26的范围内对隔水管涡激振动的流固耦合过程进行数值模拟,尺P范围约在 5.8×l0,7.6×10之间.约化速度由下式表示: , r 一 , Dto){ 式中为来流速度. 2数值模拟结果与分析 2.1晌应分支 = 0.0035时,圆柱在不同下的振幅响应示于图2.Vr小于2.5时,圆柱有微幅振动:Vr自2.5增 至3.5,圆柱振幅急剧增大;Vr自3.5增至4,圆柱振幅略有下降;Vr自4.5增至5.5,圆柱振幅逐渐增大; = 5.5时,圆柱振幅有最大值;Vr自5.5增至8,圆柱振幅逐渐下降;Vr在8,14之问,圆柱振幅基本 保持恒定;增至l5时,圆柱振幅发生突降;在l5,22之问,圆柱振幅基本保持恒定;增至24后, 圆柱不再发生振动. Khalak,Govardhan,Williamson等的实验研究发现,小质量比圆柱体的涡激振动响应有三个分支, 分别是初始分支,高幅分支与低幅分支.图3为Govardhan[41的实验结果,=1.2,m=0.0055.通 过与实验结果进行对比可以发现,数值模拟结果清晰显现了圆柱响应的j个分支:在2.5,3.5之间为 初始分支;在4,7之间为高幅分支;在8,14之问为低幅分支. 数值模拟结果的高幅分支宽度与低幅分支宽度要小于实验结果,最大振幅亦小于实验结果. Khalak~WWilliamson的研究发现圆柱体的VIV~IAj应由m和控制.,77决定着锁定区域的宽度,在较小 的情况下,会出现较宽的锁定区域.高幅分支的最火?向应由m决定,m越小,则最大响应越 大.在数值模拟中,嘣柱最火响应max()约为0.8,低于实验结果中的1.0,因数值模拟 中的m=0.012 高于实验情形的0.0055,数值模拟结果是合理的.数值模拟中自仞始分支至低幅分支的约化速度范围 在2.5,142_问,呖实验中自初始分支至低幅分支的约化速度范围在2,l82_问,因数值模拟中的m=3.4 高于实验情形的1.2,数值模拟结果亦是合理的. r 2振幅响应(d=3.4,=O.012) f. i 图3振幅响应(=1.2,=O.0055) 孙友义,等:深水钻井隔水管柱1l激振动响应分析31 在多个实验中均观察到低幅分支后会出现一个振幅小于低幅分支而又基本恒定的响应区域,对应 图2中Vr在l5,22的区域以及图3中的倒三角区域,Khalak,Govardhan,Williamson 等称之为解锁区, 而称初始分支,高幅分支与低幅分支为锁定区.笔者并不认同Khalak等关于解锁区的这一定义.图4 所示为网柱在不同下的响应频率比厂,厂=fir,,厂为圆柱振动频率.从图4可以看出,在所谓 的"解锁区"圆柱振动频率厂依然锁定在固有频率.j二,因此笔者认为该区域仍属于锁定区,并定 义其为"超低幅分支". 网4不同约化速度下的振动频率比图5阻尼比对振幅响应的影响 = O.01时,圆柱在不同下的振幅响应见图5.通过与=0.035情形进行对比可以发现,大阻 尼比圆柱的振幅响应整体偏小,同时锁定区域较窄.圆柱的最大无量纲振幅约为0.65,出现在=4.5 处. 2.2漩涡泄放模式 ?向应模式的转变,究其本质源于漩涡泄放模式的转变.G0vardhan和wi11iamson的研究表明,初始 分枝对应的漩涡泄放模式为2s模式,2s模式表示在一个周期内泄放2个单独的漩涡;而高幅与低幅分 枝则对应2P模式,2P模式表示在一个周期内泄放2对漩涡. 图6所示的是分别为3.5,5.5,9与16时的漩涡状态图(=O.0035),每组中的4幅图是在一个漩 涡泄放周期内,分别为圆柱处在两个中问位置及两个极端位置时的涡量等值线图.图6(a)所示为初 始分枝的漩涡状态,从图中可以清晰地观察到每个周期泄放2个单独的漩涡,漩涡形状为圆润的椭圆 形.图6(b)所示为高幅分枝的漩涡状态,从图中可以清晰地观察到每个周期泄放2个涡对,每个涡 对都包含一大一小2个漩涡,小涡显着小于大涡,大涡形状不规则,类似于蝌蚪形.6(C)所示为 低幅分枝的漩涡状态,每个周期泄放2个涡对,每个涡对中的2个漩涡分离地没有高幅分支明显,涡形 变得细长,且2个漩涡大小相当.图6(d)所示为超低幅分枝的漩涡状态,每个周期泄放2个单独的漩 涡,尽管涡形极为细长,但2个漩涡并不是对称泄放的. 霉爹. ? 一 3 t (b)=5.5 32学术沦文 爨爹,e,一誊?_-llI- 簿?襄..:l_ll—, 蓉;..t=)二要??j—,一一?: _爹t,一_l—lll.. (C)『厂=9(d)//,,=16 圈6不?响应分支的漩涡泄放肜态 2.3升力系数曲线 = 0.0035,为3.5,5.5,9与16时,网柱的升力系数曲线见图7.从7可以看出,=3.5 时,升力系数曲线是较为规则的正弦曲线;=5.5时,升力系数曲线不是规则的正弦 曲线,但响 应频率是单一的;rr=9与=16时,升力系数响应是多频的,高阶频率分别约为圆柱固 有频率的2 倍与3倍.升力系数中高阶频率的出现是导致圆柱响应由高幅分支向低幅分支转 变的主要原因. 3结论 0:O40I080tO0 t/s (a)3.5 l: 0S 0J 0 ,,j . 04 .1l8 ():{)4O6O80100 t/s (b)=5.5 『120406ORIIln0f) t/s (C)=9 7不同响分支的玎力系数}{}J线 (1)数值模拟较好地弭现了圆柱响应的_三个分支:初始分支,高幅分支与低幅分支. 初始分支的 约化速度带宽约在2.5,3.5之问,高幅分支的约化速度带宽约在4,7之『日J,低 幅分支的约化速度带宽约 存8,14之间.研究发现,在通常所谓的解锁区,圆柱振幅保持在一个基本稳定的颦 级上,圆柱仍有明 显振动且振动频率仍锁定在固有频率,卜,笔者称之为超低幅分支. (2)数值模拟清晰捕捉到了漩涡泄放的2SJ-O2P模式.在初始分支,每个周期泄放2 个单独的漩涡, 6=========二二=一…一 ::: ?一……一 ::: 一 ::: …一 一::: …—…, , ?…V一…一 _=?…川兰!=一 ? 川川……川?一?………一川?苎!=一 .. ……?,一 . …?,.1?附?.一?一…川…—?一.…………一,????一……川川一……………L,.川川川一.……川川一.……川……一?…川坩一………川三兰=一 ? 川…川….i??…?川.1……川…?,一………川…一??川三竺:, . ………川一 ? ………_l,川川?一……?…?一 . ……川…一,??一 . …………一 一?……??…?川?一 蛳 ? 卷增t:lJ2孙友义,等:深水钻_)}隔水管枉自激振动响应分析33 漩涡形状为圆润的椭彤;在高幅分支,每个周期泄放2个涡对,每个涡对都包含一大一小2个漩涡; 在低幅分支,每个周期泄放2个涡对,涡形较细长,且2个漩涡火小相当;在超低幅分支,每个周期泄 放2个单独的漩涡,尽管涡形极为细长,但2个漩涡并不是对称泄放的. f3)在初始分支,升力系数曲线是较为规则的正弦波;在高幅分支,升力系数曲线不再是规则的 正弦曲线,但响应频率单一;在低幅与超低幅分支,升力系数响应是多频的.升力系数中高阶频率的 出现是导致圆柱响应由高幅分支向低幅分支转变的主要原因. 参考文献: 【11KHALAKA,WILLIAMSONCHK.Dynamicsofahydrodasticcylinderwithverylow massanddamping[J].Journalof FluidsandStructures.】996.1O:455—472. 『21KHALAKA,WILLIAMSONCHK.Fluidforcesanddynamicsofahydroelasticstructurewithverylowmassand damping[J].JournalofFluidsandStructures,1997,11:973—982. 『31KHALAKA,WlLLAMSONCHK.Motions,forcesandmodetransitionsinvortex— inducedvibrationsatlow mass—damping[J].JournalofFluidsandStructures,1999,13:813—851. f41GOVARDHANR,WlLLIAMSONCHK.Modesofvortexformationandfrenquencyresponseforafreelyvibrating cylinder[J].JournalofFluidMechanics,2000,420:85—130. f5]GOVARDHANR,WILLIAMSONCHK.Criticalmassinvortex.inducedvibrationofacylinder[J].EuropeanJournalof MechanicsB/Fluids,2004,23:17-27. [6】王福.计算流体动力学分析一cFD软件原理与应用【M].北京:清华大学出版 社,2004. VIVResponseAnalysisofDeepwaterDrillingRiser SUNYouyi,CHENGuoming,JUShaodong (1.CentreforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying 257061,China;2.PostdoctoralProgramme,TechnologyResearch&DevelopmentCenter,CNOOCResearch Institute,Beijing100027,China) Abstraet AccordingtoprototypalReynoldsnumbersofriserindeepwater,two— dimensionalnumerical simulationofVIVofriseriscarriedoutbasedonRNGk-eturbulencemodelanddynamicmeshtechnique. Theresponsebranchesofthecylinder,thevortexsheddingformationsandthefrequencyresponse characteristicsarestudied.Theresultsofthesimulationmatchtheclassicexperimentswel1. Anewresponse branchisfoundwhichisnamed'Super.1owerBranch'bytheauthor.Higherharnqonicsisfoundatthe lowerbranchofliftforce,whichisthemaincauseoftheconversionofcylinderresponsefromt heupper branchtothe1owerbranch. Keywords:riser;VIV;numericalsimulation;dynamicmesh;responsebranch 作者 孙友义 陈国明 鞠少东 简介 男,1983年生,博士后.主要研究方向为海工结构设计分析. 主要研究方向为海工结构设计分析. 要研究方向为海工结构设计分析.