本发明专利技术公开了一种螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学设计方法，包括：确定洋流范围；通过模态计算获得立管的固有振动频率；根据斯托怒哈尔数公式反推出激发涡激共振最小流速对应的涡泻频率；寻找与涡泻频率最接近的立管固有频率；取一段立管(可加装螺旋列板)，基于计算流体力学(CFD)方法、结构动力学理论(CSD)以及嵌套网格技术，建立流固耦合动力学仿真模型，预测立管段(可加螺旋列板)的横流向振幅抑制效率以及拖拽力系数。如果抑制效率和拖拽力系数满足要求，则设计的螺旋列板结构满足要求。如果不满足，则需要重新设计螺旋列板的结构参数，再重新进行计算，直至满足要求。采用本方法能满足工程上螺旋列板结构快速设计的需求。求。求。
【技术实现步骤摘要】
一种螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学设计方法
[0001]本专利技术涉及螺旋列板涡激振动抑制装置，尤其涉及一种螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学设计方法。
技术介绍
[0002]海洋立管的涡激振动(VIV,vortex
‑
induced vibration)问题是典型的非线性流固耦合动力学问题，是美国API规范和挪威DNV规范认定的引起海洋立管疲劳损伤的主要原因。当旋涡泄放频率与立管固有频率接近时，就会发生涡激共振现象，使得振幅在一定的流速范围显著加大，从而导致立管疲劳破坏，产生巨大的经济损失。
[0003]工程上主要通过安装一些扰流装置达到破坏旋涡结构或者改变涡脱模式来减弱立管的涡激振动。然而，安装了扰流装置后，立管受到的阻力将大大增加，此外扰流装置还有可能引起其它形式的振动。尽管增加扰流装置有着一些缺点，但是改变立管截面的形状能够非常有效的抑制涡激振动的产生。目前工程上依然是主要依靠扰流装置来抑制涡激振动。螺旋列板涡激振动抑制装置能够抑制各个来流方向的涡激振动，因此在海洋立管的涡激振动中使用最为广泛。
[0004]对于螺旋列板涡激振动抑制装置的设计，多数依赖于计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)方法和水池拖拽试验方法。在CFD数值仿真方面，工程上往往通过对比静止加装螺旋列板海洋立管与裸立管的升力系数来考察螺旋列板的抑制效果。但该方法并未考虑立管的动力学设计，即立管涡激振动情况下的升力系数与静止的刚性立管的升力系数完全不一样。由于海洋立管的涡激振动涉及流固耦合效应，在流体的作用下，流场中的结构会发生弹性变形，这种结构的弹性变形又对流场分布产生影响，从而使流体和结构形成一个相互联系、相互作用的复杂系统。因此，考虑涡激振动的立管的升力系数也会与静止情况下有较大差异。通过对比静态立管的升力系数难以准确证实螺旋列板的涡激振动抑制效果。目前，有学者通过二维弹性支撑柱体的模型来计算螺旋列板的抑制效果。但这种方法忽略了螺旋列板引起流体的三维效应，无法考虑螺距等参数的影响。同时这类方并未给出从三维模型简化为二维模型的合理解释。随着计算机科学的高速发展，采用全三维立管计算流体力学/有限元(CFD/FEM)双向流固耦合模拟成为可能，可以进行加装螺旋列板后全尺寸立管的涡激振动计算。但该方法对计算资源要求非常高，且计算非常耗时，并不适用于工程上螺旋列板结构的优化设计。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种实现螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学快速设计，使螺旋列板结构参数满足工程要求的螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学设计方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0007]本专利技术的一种螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学设计方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、查表确定立管所处海域主体部位所受洋流速度范围；
[0009]步骤二、基于有限元法建立立管有限元模型，通过基于FEM模态计算获得立管的固有振动频率，然后将立管的n个固有振动频率由小到大排列为0≤ω
n1
≤ω
n2
≤...≤ω
nn
；
[0010]所述的立管有限元模型的公式为：
[0011]式中K为立管刚度矩阵，ω
ni
为立管固有频率，M为立管质量矩阵；
[0012]步骤三、根据亚临界雷诺数范围内斯托怒哈尔数接近定值的条件，由公式S
t
＝f
v
D/U反推出与能激发涡激共振的最小洋流速度对应的旋涡泄放频率；
[0013]其中在亚临界雷诺数范围内斯托怒哈尔数S
t
≈0.2，D为立管的管径，U为洋流速度最小值，f
v
为立管在与能激发涡激共振的最小洋流速度对应时的旋涡泄放频率；
[0014]步骤四、计算加装螺旋列板后的立管段与旋涡泄放频率最接近的圆频率，步骤如下：
[0015]第一步，在立管的前50阶固有频率中寻找与能激发涡激共振的最小流速对应的旋涡泄放频率最接近的立管固有频率，具体方法为：
[0016]取一段裸立管段，根据步骤三计算裸立管段结构与能激发涡激共振的洋流速度最小值对应的旋涡泄放频率，然后根据立管有限元模型计算得到裸立管段结构的n个固有振动频率，在n个固有振动频率中选取与旋涡泄放频率最接近的固有振动频率ω，最后根据k＝mω2，换算出裸立管段结构的弹性支撑刚度k，式中m为裸立管段质量；
[0017]第二步，在第一步选取的裸立管段上加装螺旋列板并采用绑带绑扎得到振动抑制立管段，计算振动抑制立管的总质量，螺旋列板采用聚氨酯弹性体材料，振动抑制立管段的弹性支撑刚度与裸立管段结构的弹性支撑刚度k一致，换算出加装螺旋列板后的立管段圆频率；
[0018]步骤五、对立管段建立流固耦合动力学仿真模型并进行仿真计算，所述的立管段为步骤四中的裸立管段或者加装螺旋列板后的立管段，建模及仿真过程如下：
[0019]第一步，对立管段周围洋流的流场域进行求解，流场域入口边界条件为速度入口，出口为压力出口，位于立管段中心轴垂直投影面的两个流场域壁面为滑移壁面，立管段表面为动边界壁面同时为无滑移壁面；
[0020]第二步，对流场域进行网格划分并采用基于计算流体力学方法的软件进行数值仿真计算得到立管段表面的压力分布，在数值仿真计算过程中时间项采用全隐式积分方法，对流项采用二阶迎风离散格式；流场质量守恒方程以及流场动量守恒方程中速度分量与压力的耦合采用COUPLED算法进行处理；COUPLED算法初始条件设定为x为立管段的顺流向位移，y为立管段的横流向位移；时间步长按照公式t＝D/(U*(10～20))计算，其中，D为立管段的水力直径，U为洋流来流速度；
[0021]第三步，对立管段表面的压力分布进行积分得到立管段升力F
L
和拖拽力F
D
，然后通过公式计算得到升力系数C
L
、拖拽力系数C
D
：
[0022][0023][0024]式中，C
D
为阻力系数，C
L
为升力系数，D为立管外径，U为洋流来流速度，ρ
f
为海洋流体的密度；
[0025]第四步，在所述的流场质量守恒方程和流场动量守恒方程的基础上添加两自由度弹性支撑的立管的运动的控制方程完成流固耦合动力学仿真模型的建模；
[0026]第五步，采用流固耦合动力学仿真模型进行流固耦合振动响应数值计算仿真得到横流向振动响应稳定段的值，在采用流固耦合动力学仿真模型对立管段的流场进行仿真过程中，采用嵌套网格实现立管段边界的运动；
[0027]步骤六、采用均方差方法计算裸立管段和加装螺旋列板后立管段的横流向振动响应稳定段的均方差值分别为裸立管段以及加装螺旋列板后立管段的涡激振动引起的横流向振幅；
[0028]采用平均值方法分别计算出裸立管段和加装本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种螺旋列板涡激振动抑制装置的动力学设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、查表确定立管所处海域主体部位所受洋流速度范围；步骤二、基于有限元法建立立管有限元模型，通过基于FEM模态计算获得立管的固有振动频率，然后将立管的n个固有振动频率由小到大排列为0≤ω
n1
≤ω
n2
≤...≤ω
nn
；所述的立管有限元模型的公式为：式中K为立管刚度矩阵，ω
ni
为立管固有频率，M为立管质量矩阵；步骤三、根据亚临界雷诺数范围内斯托怒哈尔数接近定值的条件，由公式S
t
＝f
v
D/U反推出与能激发涡激共振的最小洋流速度对应的旋涡泄放频率；其中在亚临界雷诺数范围内斯托怒哈尔数S
t
≈0.2，D为立管的管径，U为洋流速度最小值，f
v
为立管在与能激发涡激共振的最小洋流速度对应时的旋涡泄放频率；步骤四、计算加装螺旋列板后的立管段与旋涡泄放频率最接近的圆频率，步骤如下：第一步，在立管的前50阶固有频率中寻找与能激发涡激共振的最小流速对应的旋涡泄放频率最接近的立管固有频率，具体方法为：取一段裸立管段，根据步骤三计算裸立管段结构与能激发涡激共振的洋流速度最小值对应的旋涡泄放频率，然后根据立管有限元模型计算得到裸立管段结构的n个固有振动频率，在n个固有振动频率中选取与旋涡泄放频率最接近的固有振动频率ω，最后根据k＝mω2，换算出裸立管段结构的弹性支撑刚度k，式中m为裸立管段质量；第二步，在第一步选取的裸立管段上加装螺旋列板并采用绑带绑扎得到振动抑制立管段，计算振动抑制立管的总质量，螺旋列板采用聚氨酯弹性体材料，振动抑制立管段的弹性支撑刚度与裸立管段结构的弹性支撑刚度k一致，换算出加装螺旋列板后的立管段圆频率；步骤五、对立管段建立流固耦合动力学仿真模型并进行仿真计算，所述的立管段为步骤四中的裸立管段或者加装螺旋列板后的立管段，建模及仿真过程如下：第一步，对立管段周围洋流的流场域进行求解，流场域入口边界条件为速度入口，出口为压力出口，位于立管段中心轴垂直投影面的两个流场域壁面为滑移壁面，立...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨加栋，康学君，张晓灵，陈东阳，相政乐，吴文通，贾振，孔瑞林，王铭浩，张祥，陆娟，由乐，彭传伟，
申请(专利权)人：海油发展珠海管道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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