王亞非　孫麗萍　吳梓鑫

(哈爾濱工程大學(xué)深海工程技術(shù)研究中心1)　哈爾濱　150001)　(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院2)　鎮(zhèn)江　212000)

螺旋側(cè)板的導(dǎo)程對(duì)VIV影響的數(shù)值模擬

王亞非1)孫麗萍1)吳梓鑫2)

(哈爾濱工程大學(xué)深海工程技術(shù)研究中心1)哈爾濱150001)(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院2)鎮(zhèn)江212000)

摘要：海洋立管在來流影響下極易發(fā)生渦激振動(dòng)(VIV)，VIV會(huì)對(duì)立管產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞破壞作用，導(dǎo)致立管很快失效.之前有大量的研究主要集中在如何采用有效措施抑制其影響，在工程中螺旋側(cè)板的使用居多，螺旋側(cè)板在設(shè)計(jì)中有很多參數(shù)，如螺距、側(cè)板高度和覆蓋率等.文中基于Fluent軟件對(duì)不同導(dǎo)程螺旋側(cè)板的立管的尾流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺旋側(cè)板可以明顯的抑制渦激振動(dòng)的影響.同時(shí)得到：在研究范圍內(nèi)，螺旋側(cè)板隨導(dǎo)程增大控制旋渦發(fā)放效果越好，從而抑制渦激振動(dòng)效果越佳；將數(shù)值模擬結(jié)果和文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性.

關(guān)鍵詞：螺旋側(cè)板；導(dǎo)程；VIV；數(shù)值模擬

王亞非(1989- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ罅⒐?/p>

0引言

海洋立管是連接海底井口與海洋平臺(tái)或鉆井船的重要構(gòu)件，既可以傳輸油氣，又可以用于鉆探生產(chǎn).VIV會(huì)對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)疲勞破壞作用[1]，減少了立管的使用壽命.目前人們研制出了各種渦激抑制裝置，主要有螺旋側(cè)板(helicalstrakes)、導(dǎo)流板(splitterplate)、屏蔽裝置(shroud)，以及減振器(fairings)等，由于加工及安裝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等原因，實(shí)際工程中大多采用螺旋側(cè)板作為抑制設(shè)備，實(shí)驗(yàn)也證明了其有效的抑制效果[2-4].螺旋側(cè)板的設(shè)計(jì)參數(shù)很多，主要是螺距、側(cè)板高度[5-6].

Korkischko等[7]在水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室中通過改變螺旋側(cè)板的幾何參數(shù)研究了對(duì)VIV的抑制效果，最后得到結(jié)論：螺旋側(cè)板可以改變旋渦脫落的頻率和降低立管的振動(dòng)幅值.T.Zhou等[8]在UniversityofWesternAustralia風(fēng)洞中用安裝了3個(gè)導(dǎo)程P=10 D和高度H=0.12 D螺旋側(cè)板立管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)裸管在約化速度5～8.5范圍內(nèi)有明顯的自鎖現(xiàn)象，而螺旋側(cè)板可以很好的抑制旋渦脫落同時(shí)立管沒有發(fā)生自鎖現(xiàn)象.Lee等[9]在OsakaUniversity的實(shí)驗(yàn)水池用模型研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋側(cè)板的P=10 D和H=0.1 D時(shí)，側(cè)板可以明顯的減小VIV對(duì)柔性立管的水動(dòng)力作用，升力大小對(duì)螺旋側(cè)板高度比較敏感.

但之前的研究多數(shù)集中于實(shí)驗(yàn)方法，較少的涉及對(duì)螺旋側(cè)板的導(dǎo)程和VIV抑制作用的關(guān)系的進(jìn)行控制變量的數(shù)值分析.故本文的目的是運(yùn)用Fluent對(duì)螺旋側(cè)板的導(dǎo)程大小和VIV作用之間關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了立管尾流場(chǎng)中的旋渦脫落和立管所受的水動(dòng)力隨導(dǎo)程變化情況.在數(shù)值模擬中，使用高度H=0.08 D(D=0.02m)和導(dǎo)程P分別為5D,8D,15D,17D的螺旋側(cè)板進(jìn)行研究，將結(jié)果和文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好，表明了數(shù)值模擬的可靠性.

1數(shù)學(xué)模型

1.1流體力學(xué)控制方程

當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)，由非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和N-S方程而求解得到.

(1)

式中：F為質(zhì)量力；ρ為密度；t為時(shí)間；p為壓力；μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù).

(2)

1.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程

圓柱體在運(yùn)動(dòng)的流體中因?yàn)樗艿臏u激力產(chǎn)生流向和橫向的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

(4)

式中：m為單位長(zhǎng)度圓柱體的質(zhì)量；c為結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)；k為彈簧剛度系數(shù)；Fx(t)為流向的阻力；Fy(t)為橫向的升力.

1.3LES原理

(5)

式中:u為速度矢量在X,Y,Z方向的分量；p為壓力；ρ為密度；τij為亞格子雷諾應(yīng)力；μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù).

2數(shù)值模擬

參考之前的實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算[10]，該算例流場(chǎng)區(qū)域采用長(zhǎng)30D，寬20D，高15D的長(zhǎng)方體，D=20mm，D為立管模型直徑，上游為10D，下游為20D，兩邊寬各為10D.考慮到不同區(qū)域網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)變化的影響，以立管模型為中心，周圍8D范圍內(nèi)網(wǎng)格加密.與立管壁面相鄰區(qū)域也是流動(dòng)狀態(tài)變化較為劇烈的區(qū)域，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響較大，也需進(jìn)行加密處理.光滑立管模型一共分為12個(gè)區(qū)域，均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；帶螺旋側(cè)板立管模型一共分為9個(gè)區(qū)域，進(jìn)口、出口以及壁面區(qū)各分為3個(gè)區(qū)域，周圍八個(gè)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，中間區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，具體平面見圖1，立體見圖2.圖3為帶螺旋側(cè)板立管的表邊網(wǎng)格，圖4為帶不同導(dǎo)程螺旋側(cè)板立管的物理模型.

圖1　二維模型平面圖

圖2　三維計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

圖4　帶螺旋側(cè)板立管的物理模型

圖3帶螺旋側(cè)板立管表面網(wǎng)格劃分

流體計(jì)算域的設(shè)置對(duì)于流體計(jì)算域所進(jìn)行的簡(jiǎn)化設(shè)定為：

1) 參考物理模型中，立管系統(tǒng)完全處于自由液面以下的水體中心，不考慮空氣影響，采取單相模擬.

2) 流體計(jì)算域的左側(cè)設(shè)為速度入口(velocityinlet)；側(cè)面和上下面均采用無滑移條件(wall)，右側(cè)設(shè)為自由出流邊界(outflow).

3結(jié)果與討論

3.1光滑立管

將網(wǎng)格劃分信息輸入Fluent，在Re=5 000時(shí)使用LES模型進(jìn)行求解.得到拖拽力系數(shù)Cd和升力系數(shù)Cl曲線圖.

可以求出拖拽力系數(shù)約為1.27，與文獻(xiàn)[11]的模擬結(jié)果1.26吻合良好.運(yùn)用MATLAB軟件通過編程做出頻率分析圖(見圖5)，得到該數(shù)值模擬情況下主頻為2.560 8Hz，由此算得斯特勞哈數(shù)為0.205，與文獻(xiàn)[12]中的計(jì)算結(jié)果0.225相接近，說明了計(jì)算模型的可靠性，因而可以將所用區(qū)域及其他設(shè)置模擬帶螺旋側(cè)板的立管，并可以將該模擬結(jié)果作為帶螺旋側(cè)板立管的模擬結(jié)果的對(duì)比.

圖5　頻率分析圖

3.2帶不同導(dǎo)程的螺旋側(cè)板立管

為了和光滑立管相對(duì)比，同時(shí)參考文獻(xiàn)[8-9]實(shí)驗(yàn)研究，此算例采取側(cè)板高為0.08D，選取不同導(dǎo)程(5D，8D，15D，17D)進(jìn)行模擬計(jì)算，記為H0.08D-P5，H0.08D-P8，H0.08D-P15,以及H0.08D-P17四種螺旋側(cè)板.在Fluent軟件中帶螺旋側(cè)板的立管參數(shù)設(shè)置與光滑立管相同.通過數(shù)值模擬得到4種螺旋側(cè)板與光滑立管的拖拽力系數(shù)圖.

圖6　四種螺旋側(cè)板立管與光滑立管的Cd曲線

從圖6可以清晰的看出加上側(cè)板高為0.08D的螺旋側(cè)板后，隨著螺旋側(cè)板導(dǎo)程的變化，旋渦瀉放的頻率發(fā)生很大變化，拖拽力系數(shù)總體上介于0.9～1.05之間，相比于光滑立管有了顯著地下降，即加上螺旋側(cè)板后立管所受拖拽力減小了，立管所受的損壞也就減輕了.除此而外，還可以看出加上螺旋側(cè)板后，拖拽力系數(shù)的振幅有了明顯的減小，同樣說明了立管受力的減弱.通過數(shù)據(jù)處理，得到表1，針對(duì)拖拽力系數(shù)分析導(dǎo)程的影響情況.

表1　光滑立管和相同側(cè)板高不同導(dǎo)程螺旋側(cè)板拖拽力系數(shù)

分析表1可知，加上螺旋側(cè)板后立管的拖拽力系數(shù)平均減少了20%之多，極差不及原先光滑立管的10%，通過數(shù)據(jù)量化的說明了螺旋側(cè)板減少對(duì)立管損傷的優(yōu)越性.對(duì)比不同導(dǎo)程的螺旋側(cè)板，可以看到當(dāng)螺旋側(cè)板高度一定時(shí)，在5D～15D導(dǎo)程之內(nèi)，拖拽力系數(shù)及其極差隨著導(dǎo)程增大而變大，而導(dǎo)程為17D時(shí)，拖拽力系數(shù)與其極差小于15D導(dǎo)程值.

雖然入口邊界來流是單向的，但是在繞流過螺旋側(cè)板后，旋渦流由端部向尾流移動(dòng)，流體呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維特性.文中選用Z向渦量云圖比較其尾流場(chǎng).

圖7為光滑立管在Re=5 000時(shí)流場(chǎng)內(nèi)部渦瀉放Z向渦量云圖，可以看出光滑立管在整個(gè)流場(chǎng)中呈現(xiàn)出較為規(guī)則的渦街發(fā)放形態(tài).圖8～11為0.08D側(cè)板高時(shí)不同導(dǎo)程下Z向渦量情況，可以看出螺旋側(cè)板影響了渦的發(fā)放，并且隨著導(dǎo)程的增大，立管后方渦的瀉放越加紊亂，渦街已不能有規(guī)律的發(fā)放，表明螺旋側(cè)板很好的抑制了渦激振動(dòng)的影響.同時(shí)也證實(shí)了螺旋側(cè)板導(dǎo)程越大，對(duì)尾流場(chǎng)影響越大，進(jìn)而說明了能夠更好地抑制渦激振動(dòng).

圖7　光滑立管Z向渦量云圖

圖8　H0.08-P5立管Z向渦量云圖

圖9　H0.08-P8立管Z向渦量云圖

圖10　H0.08-P15立管Z向渦量云圖

圖11　H0.08-P17立管Z向渦量云圖

4結(jié)束語

本文利用大渦模擬數(shù)值計(jì)算了三維情況下雷諾數(shù)Re=5 000時(shí)光滑立管和帶有螺旋側(cè)板的立管，分別通過選用不同導(dǎo)程研究了螺旋側(cè)板對(duì)尾流場(chǎng)的影響.通過拖拽力系數(shù)、升力系數(shù)以及Z向渦量云圖的對(duì)比分析，得出結(jié)論：在模擬范圍內(nèi)螺旋側(cè)板隨導(dǎo)程增大明顯的抑制了渦激振動(dòng)對(duì)立管的影響，其中導(dǎo)程P=17D綜合效果最佳，且水動(dòng)力系數(shù)減小幅度達(dá)到了23.93%.將數(shù)值模擬和文獻(xiàn)[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(水動(dòng)力減額為25%)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者的水動(dòng)力系數(shù)減幅基本接近，同時(shí)和DNV-RP-F204推薦導(dǎo)程值(17.5D)相符合.

本文在研究螺旋側(cè)板抑制VIV時(shí)僅考慮了導(dǎo)程對(duì)其影響，但實(shí)際主要影響因素還有螺旋擦板的高度，建議以后在相關(guān)的研究中考慮高度的作用效果，這樣可以更好的探究螺旋側(cè)板抑制渦激振動(dòng)的本質(zhì).

參 考 文 獻(xiàn)

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NumericalSimulationontheEffectivenessofthe

中圖法分類號(hào)：U661.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.040

收稿日期：2014-11-16

PitchofHelicalStrakesinSuppressingVIV
WANGYafei1)SUNLiping1)WUZixin2)
(Deepwater Engineering Technology Research Center,

Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)1)

(College of Navel Architecture and Marine Engineering,

Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China)2)

Abstract：Due to the serious fatigue damage of VIV (vortex-induced vibration) to the riser, it is very likely to failure soon. Much corresponding research has been done to deal with how to suppress the effect recently, and the helical strakes is widely used in engineering now. Many parameters have certain effects on its design in practice, including the height, pitch and coverage scale. The main aim of this paper is to study the wake field of a riser with different pitch by numerical simulation based on the Fluent software. In conclusion, the VIV can be obviously suppressed by the helical strakes, and the effectiveness of inhibiting vortex shedding is better with increasing the pitch of helical strakes. Besides, the numerical simulation has a good agreement with the experiment result of reference, which demonstrates the accuracy of research approach.

Key words：helical strakes; pitch; VIV; numerical simulation