一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置制造方法及图纸

本申请公开了一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置，方法包括基于预设的单元节点个数将三维钻柱切分为至少两个二维流场平面，并确定出对应的钻柱截面参数；基于每个钻柱截面参数建立二维数值模型，并对每个二维数值模型进行划分处理；从每个二维数值模型中确定出流体区域，并计算出每个流体区域的流场特性；基于流场特性确定出三维钻柱的受力参数以及三维钻柱的速度参数；根据速度参数以及预设的旋转角速度，得到三维钻柱的运动参数。通过将三维结构划分为多个二维平面，并结合预设的求解算法求解钻柱结构动力学方程，实现三维钻柱涡激振动数值模拟，以实现三维钻柱结构动力学响应的快速求解，不仅有效降低数值计算量，还可保障计算精度。保障计算精度。保障计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置


[0001]本申请属于海洋工程
，特别的涉及一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置。

技术介绍

[0002]50多年来，国际大洋科学钻探计划在全球各大洋已钻井4000余口，取回岩芯40多万米，开辟了探索地球深部的途径，推动了地球科学的革命性进步。近年来，随着我国与国际大洋发现计划（IODP）的深入合作，我国在大洋科学钻探领域已取得了长足进步。以往科学钻探主要通过立管钻探技术实现，随着IODP向深海发展，立管钻探工作时所需的附加设备以及安装回收引起的工时等都会增加成本，不仅如此，由于立管与海水直接接触，其承受载荷复杂、失效的风险较大，一旦发生失效，立管内的泥浆泄漏也将会对海洋环境造成巨大破坏。同时，作业水深增加必然导致立管使用数量增加，从而增大外载荷，对钻井平台具备的承载能力也是一个挑战。基于此，安全高效的无立管钻探技术成为当前的迫切需求。当进行无立管钻探工作时，海流流经钻柱，其表面发生周期性的漩涡脱落，引起涡激振动现象（Vortex Induced Vibration，简称VIV）。钻柱自身的旋转将进一步影响钻柱表面漩涡的生成和脱落，导致复杂的漩涡脱落和VIV响应。
[0003]在早期的研究中，学者们通过实验进行钻柱涡激振动研究，但实验结果很难实现流场可视化，且成本较高。二十一世纪以来计算机技术和计算流体力学快速发展，使数值模拟计算成为了研究钻柱涡激振动的另一种重要途径。然而，对于海洋钻柱这一类细长柔性旋转体，在涡激振动过程中会发生弯曲变形，采用一般的二维数值模拟无法正确体现其结构动力学响应机理；同时基于当前的计算机发展水平，采用三维数值模拟非常困难，不仅计算量非常大，而且精度无法保障。

技术实现思路

[0004]本申请为解决上述提到的对于海洋钻柱这一类细长柔性旋转体，在涡激振动过程中会发生弯曲变形，采用一般的二维数值模拟无法正确体现其结构动力学响应机理；同时基于当前的计算机发展水平，采用三维数值模拟非常困难，不仅计算量非常大，而且精度无法保障等技术缺陷，提出一种三维钻柱的涡激振动计算方法及装置，其技术方案如下：第一方面，本申请实施例提供了一种三维钻柱的涡激振动计算方法，包括：基于预设的单元节点个数将三维钻柱切分为至少两个二维流场平面，并确定出与每个二维流场平面对应的钻柱截面参数；其中，每个单元节点对应于一个二维流场平面；基于每个钻柱截面参数建立相应的二维数值模型，并根据预设的距离区间，对每个二维数值模型进行划分处理；从经过划分处理后的每个二维数值模型中确定出相应的流体区域，并基于预设的流体参数，计算出每个流体区域的流场特性；基于所有流体区域的流场特性确定出三维钻柱的受力参数，并根据三维钻柱的受
力参数、所有钻柱截面参数以及预设的钻柱动力方程，计算出三维钻柱的速度参数；根据三维钻柱的速度参数以及预设的旋转角速度，得到三维钻柱的运动参数，并当检测到三维钻柱的运动参数满足预设条件时，输出三维钻柱的运动参数。
[0005]在第一方面的一种可选方案中，根据预设的距离区间，对每个二维数值模型进行划分处理，包括：在每个二维数值模型中确定出三维钻柱的截面中心；将与三维钻柱的截面中心之间的距离处于预设的第一距离区间的区域划分为刚性区域；将与三维钻柱的截面中心之间的距离处于预设的第二距离区间的区域划分为动网格区域；将与三维钻柱的截面中心之间的距离处于预设的第三距离区间的区域划分为静网格区域；对经过划分处理后的每个二维数值模型进行标记处理；其中，预设的第一距离区间中的最大值等于预设的第二距离区间中的最小值，预设的第二距离区间中的最大值等于预设的第三距离区间的最小值。
[0006]在第一方面的又一种可选方案中，从经过划分处理后的每个二维数值模型中确定出相应的流体区域，并基于预设的流体参数，计算出每个流体区域的流场特性，包括：将经过划分处理后的每个二维数值模型中除去刚性区域的所有区域作为每个二维数值模型的初始流体区域；基于预设的边界条件，对每个二维数值模型的初始流体区域进行裁剪处理，得到每个二维数值模型的目标流体区域；根据每个二维数值模型的目标流体区域以及预设的流体参数，计算出每个流体区域的流场特性。
[0007]在第一方面的又一种可选方案中，基于所有流体区域的流场特性确定出三维钻柱的受力参数，包括：从每个流体区域的流场特性中分别提取出三维钻柱的表面压力载荷；对每个三维钻柱的表面压力载荷中处于顺流向的压力载荷进行汇总处理，得到三维钻柱的顺流向载荷矩阵；对每个三维钻柱的表面压力载荷中处于横流向的压力载荷进行汇总处理，得到三维钻柱的横流向载荷矩阵。
[0008]在第一方面的又一种可选方案中，根据三维钻柱的受力参数、所有钻柱截面参数以及预设的钻柱动力方程，计算出三维钻柱的速度参数，包括：根据所有钻柱截面参数分别计算出三维钻柱的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；将三维钻柱的顺流向载荷矩阵、三维钻柱的横流向载荷矩阵、三维钻柱的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵代入至预设的钻柱动力方程，并基于预设的求解参数对钻柱动力方程进行计算，得到三维钻柱的速度参数。
[0009]在第一方面的又一种可选方案中，当检测到三维钻柱的运动参数满足预设条件时，输出三维钻柱的运动参数，包括：
基于三维钻柱的运动参数绘制振幅曲线，并判断振幅曲线是否处于预设的振幅区间；当检测到振幅曲线处于预设的振幅区间时，确定三维钻柱的运动参数满足预设条件，并输出三维钻柱的运动参数；或基于三维钻柱的运动参数绘制振幅曲线，并判断振幅曲线中是否存在至少两个振幅值相同的点；当检测到振幅曲线中存在至少两个振幅值相同的点时，确定三维钻柱的运动参数满足预设条件，并输出三维钻柱的运动参数。
[0010]在第一方面的又一种可选方案中，在根据三维钻柱的速度参数以及预设的旋转角速度，得到三维钻柱的运动参数之后，还包括：当检测到三维钻柱的运动参数不满足预设条件时，基于三维钻柱的运动参数对每个流体区域进行更新处理；基于预设的流体参数，计算出更新处理后的每个流体区域的流场特性；基于所有更新处理后的流体区域的流场特性确定出三维钻柱的受力参数，并根据三维钻柱的受力参数、所有钻柱截面参数以及预设的钻柱动力方程，计算出三维钻柱的速度参数；根据三维钻柱的速度参数以及预设的旋转角速度，得到三维钻柱的运动参数，并当检测到三维钻柱的运动参数满足预设条件时，输出三维钻柱的运动参数。
[0011]第二方面，本申请实施例提供了一种三维钻柱的涡激振动计算装置，包括：第一处理模块，用于基于预设的单元节点个数将三维钻柱切分为至少两个二维流场平面，并确定出与每个二维流场平面对应的钻柱截面参数；其中，每个单元节点对应于一个二维流场平面；第二处理模块，用于基于每个钻柱截面参数建立相应的二维数值模型，并根据预设的距离区间，对每个二维数值模型进行划分处理；第一计算模块，用于从经过划分处理后的每个二维数值模型中确定出相应的流体区域，并基于预设的流体参数，计算出每个流体区域的流场特性；第二计算模块，用于基于所有流体区域的流场特性确定出三维钻柱的受力参数，并根据三维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维钻柱的涡激振动计算方法，其特征在于，包括：基于预设的单元节点个数将三维钻柱切分为至少两个二维流场平面，并确定出与每个所述二维流场平面对应的钻柱截面参数；其中，每个所述单元节点对应于一个所述二维流场平面；基于每个所述钻柱截面参数建立相应的二维数值模型，并根据预设的距离区间，对每个所述二维数值模型进行划分处理；从经过划分处理后的每个所述二维数值模型中确定出相应的流体区域，并基于预设的流体参数，计算出每个所述流体区域的流场特性；基于所有所述流体区域的流场特性确定出所述三维钻柱的受力参数，并根据所述三维钻柱的受力参数、所有所述钻柱截面参数以及预设的钻柱动力方程，计算出所述三维钻柱的速度参数；根据所述三维钻柱的速度参数以及预设的旋转角速度，得到所述三维钻柱的运动参数，并当检测到所述三维钻柱的运动参数满足预设条件时，输出所述三维钻柱的运动参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的距离区间，对每个所述二维数值模型进行划分处理，包括：在每个所述二维数值模型中确定出所述三维钻柱的截面中心；将与所述三维钻柱的截面中心之间的距离处于预设的第一距离区间的区域划分为刚性区域；将与所述三维钻柱的截面中心之间的距离处于预设的第二距离区间的区域划分为动网格区域；将与所述三维钻柱的截面中心之间的距离处于预设的第三距离区间的区域划分为静网格区域；对经过划分处理后的每个所述二维数值模型进行标记处理；其中，所述预设的第一距离区间中的最大值等于所述预设的第二距离区间中的最小值，所述预设的第二距离区间中的最大值等于所述预设的第三距离区间的最小值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从经过划分处理后的每个所述二维数值模型中确定出相应的流体区域，并基于预设的流体参数，计算出每个所述流体区域的流场特性，包括：将经过划分处理后的每个所述二维数值模型中除去所述刚性区域的所有区域作为每个所述二维数值模型的初始流体区域；基于预设的边界条件，对每个所述二维数值模型的初始流体区域进行裁剪处理，得到每个所述二维数值模型的目标流体区域；根据每个所述二维数值模型的目标流体区域以及预设的流体参数，计算出每个所述流体区域的流场特性。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所有所述流体区域的流场特性确定出所述三维钻柱的受力参数，包括：从每个所述流体区域的流场特性中分别提取出所述三维钻柱的表面压力载荷；对每个所述三维钻柱的表面压力载荷中处于顺流向的压力载荷进行汇总处理，得到所述三维钻柱的顺流向载荷矩阵；
对每个所述三维钻柱的表面压力载荷中处于横流向的压力载荷进行汇总处理，得到所述三维钻柱的横流向载荷矩阵。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维钻柱的受力参数、所有所述钻柱截面参数以及预设的钻柱动力方程，计算出所述三维钻柱的速度参数，包括：根据所有所述钻柱截面参数分别计算出所述三维钻柱的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；将所述三维钻柱的顺流向载荷矩阵、所述三维钻柱的横流向载荷矩阵、所述三维钻柱的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵代入至预设的钻柱动力方程，并基于预设的求解参数对所述钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈威，包燕旭，李晓彬，王志平，李然，刘俊豪，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：