嚴(yán)鋒 陳正豪 黃渙青
摘 要:本文以300 000 DWT級(jí)FPSO火炬塔設(shè)計(jì)為例,研究了在風(fēng)場(chǎng)中火矩塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)激振動(dòng)。通過(guò)對(duì)風(fēng)激振動(dòng)下火矩塔的規(guī)范設(shè)計(jì)方法與ANSYS-CFX雙向流固耦合數(shù)值計(jì)算方法研究,探討了數(shù)值計(jì)算方法在工程中的實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:FPSO;火矩塔;風(fēng)激振動(dòng);雙向流固耦合
中圖分類(lèi)號(hào):U661.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 概述
結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)可以分為靜力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng):當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí),靜力作用占主導(dǎo)作用,風(fēng)振影響很小,一般把風(fēng)能低頻部分一平均風(fēng)作用和高頻部分一脈動(dòng)風(fēng)作用統(tǒng)一以平均風(fēng)載荷乘以陣風(fēng)系數(shù)來(lái)考慮;當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí),動(dòng)力作用起主導(dǎo)作風(fēng),結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫力下的抖振和渦振或白激力下的顫振和馳振,在進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析時(shí),風(fēng)振影響可用風(fēng)振系數(shù)來(lái)表達(dá)。
FPSO火矩塔作為大跨度的結(jié)構(gòu),在海洋環(huán)境下,需要考慮其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng),動(dòng)力效應(yīng)主要由渦激振動(dòng)產(chǎn)生:當(dāng)風(fēng)流過(guò)火炬塔桿件時(shí),會(huì)在桿件背風(fēng)面形成交替脫落的漩渦(以下簡(jiǎn)稱(chēng)渦泄),從而在桿件斷面上產(chǎn)生順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力,如果桿件為柔性的,則桿件會(huì)產(chǎn)生周期振動(dòng),即渦激振動(dòng)。
在某個(gè)臨界風(fēng)速下,渦泄頻率可能與結(jié)構(gòu)的固有頻率或其倍數(shù)接近,導(dǎo)致諧波或次諧波共振,從而產(chǎn)生強(qiáng)度破壞。火炬塔在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量避免桿件出現(xiàn)渦激振動(dòng),對(duì)于無(wú)法避免渦激振動(dòng)的桿件,應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)消除渦激振動(dòng)對(duì)桿件的影響。
2 渦激振動(dòng)的研究方法
傳統(tǒng)的對(duì)渦激現(xiàn)象的研究,可分為四種方法:理論模型法;風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法;數(shù)值模擬法。眾多學(xué)者在對(duì)渦激振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,建立了各種數(shù)學(xué)模型,通過(guò)求解這些數(shù)學(xué)模型解析解來(lái)研究渦激振動(dòng)。如升力振子模型、經(jīng)驗(yàn)線(xiàn)性模型、經(jīng)驗(yàn)非線(xiàn)性模型、通用經(jīng)驗(yàn)非線(xiàn)性模型[1]等。但解析求解過(guò)程非常復(fù)雜,很多情況下很難求得解析解,而實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,因此工程上常采用經(jīng)驗(yàn)規(guī)范方法和直接數(shù)值模擬計(jì)算方法。
對(duì)FPSO火炬塔而言,DNV環(huán)境與載荷規(guī)范提出了對(duì)渦激振動(dòng)的衡準(zhǔn)。同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,一些精確的數(shù)值模擬方法也被應(yīng)用于渦激振動(dòng)預(yù)報(bào)與控制。
早期的渦激振動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法僅利用一個(gè)流體軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),其核心思想是基于彈性支撐的剛體二維模擬,流體與結(jié)構(gòu)的耦合作用利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)被離散成流體的邊界條件。這種方法對(duì)理論知識(shí)水平和計(jì)算機(jī)編程技術(shù)要求很高,只適用于特性情況特定解法,并且忽略了桿件的三維尺度效應(yīng)[2]。
流固耦合數(shù)值計(jì)算軟件主要有Ansys+CFX、Fluent+Ahaqus、Adina、COMSOL Multiphysics(FEMLAB),目前Ansys又推出了AnsV s+CFX/Fluent+system-coulping等模塊,整體來(lái)說(shuō)無(wú)論理論還是方法都越趨成熟。
3 渦激振動(dòng)的規(guī)范計(jì)算方法
風(fēng)引起管件發(fā)生周期激振,可能發(fā)生在沿風(fēng)向或與管件垂直的橫向位置,使結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生較大的位移及變形,造成桿件局部的破壞甚至火矩塔整體破壞。目前的設(shè)計(jì)思想是使結(jié)構(gòu)基頻避開(kāi)渦激振動(dòng)頻率,規(guī)范大都采用此原理。海洋工程中廣泛使用DNV-RP-C205環(huán)境和載荷規(guī)范[3]的方法來(lái)進(jìn)行渦激振動(dòng)計(jì)算。
本文以FPSO火矩塔為研究對(duì)像,分析時(shí)取極端條件下該高度處的一分鐘平均風(fēng)速;對(duì)于制造和運(yùn)輸分析,采用10年一遇該高度處的一分鐘平均風(fēng)速。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明:
除橫桿C005- B005等個(gè)別桿件外,大多數(shù)火炬塔避開(kāi)了渦激振動(dòng)區(qū)域;對(duì)不滿(mǎn)足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),通過(guò)增加一個(gè)支撐以減少桿件長(zhǎng)度,可使結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足規(guī)范要求。
4 三維渦激振動(dòng)仿真計(jì)算
規(guī)范設(shè)計(jì)只能判斷渦激振動(dòng)是否可能發(fā)生,而不能判斷渦激振動(dòng)對(duì)火矩塔結(jié)構(gòu)的具體影響。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,三維模擬可以更真實(shí)的判斷出渦激振動(dòng)的影響,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
結(jié)構(gòu)在流體作用力下會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和變形而產(chǎn)生振動(dòng),這種振動(dòng)會(huì)加劇漩渦的釋放,反過(guò)來(lái)渦的釋放又會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[5]。但在現(xiàn)實(shí)中渦激振動(dòng)幅值是有限的,當(dāng)某時(shí)間步內(nèi)流體一結(jié)構(gòu)一流體這一循環(huán)求解過(guò)程滿(mǎn)足迭代標(biāo)準(zhǔn)時(shí),就可以認(rèn)為其過(guò)程是收斂的,因此數(shù)值求解流體和結(jié)構(gòu)相互影響的方法是可行的。
本文以超出規(guī)范限制的一根火炬塔桿件為研究對(duì)象,探討雙向流固耦合計(jì)算方法。該計(jì)算桿件尺為:直徑D=0.219 1 m; t=0.012 7 m;桿件長(zhǎng)L= 10 m;風(fēng)速U= 20 m/s。根據(jù)DNV規(guī)范計(jì)算結(jié)果,該桿件的Vr=6.63、Ks=13.67,可能發(fā)生橫向振動(dòng)。
4.1 桿件固有頻率計(jì)算
結(jié)構(gòu)的固有頻率,可通過(guò)一般有限元方法求得。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,此結(jié)構(gòu)模型固有頻率為25 Hz。
4.2 圓柱繞流數(shù)值仿真計(jì)算
在計(jì)算渦激振動(dòng)頻率之前,要先進(jìn)行靜態(tài)繞流計(jì)算,確定渦泄頻率與Strouhal數(shù)。St值取決于構(gòu)件型狀與雷諾數(shù)。
在亞臨界區(qū)(300
計(jì)算流場(chǎng)采用Icem畫(huà)分,總網(wǎng)格數(shù)約為23萬(wàn)個(gè)。計(jì)算采用了RANS k-ε方法,壁面網(wǎng)格Y+=30,計(jì)算精度在工程上是可以接受的。
流場(chǎng)左側(cè)為速度入口,右側(cè)為自由出流;上下邊界為無(wú)滑移固壁邊界;頂面與底邊為對(duì)稱(chēng)邊界;模型上游為5D,下游為25D;上下邊界離網(wǎng)柱中心為5D。研究表明,該流場(chǎng)大小可以忽略流場(chǎng)邊界的影響。
數(shù)值計(jì)算中,采用了有限體積法。其中,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,壓力和速度的耦合采用SMPLEC算法。流體計(jì)算域網(wǎng)格,如圖2所示。
當(dāng)風(fēng)速U= 20 m/s時(shí),渦脫頻率為25.5 Hz。此時(shí),雷諾數(shù)Re= 2.9+e5,處于臨界流范圍,相應(yīng)的St=0.279;桿件升力系數(shù)及阻力系數(shù)時(shí)程曲線(xiàn),如圖3所示。靜態(tài)繞流表明,風(fēng)經(jīng)過(guò)桿件時(shí),產(chǎn)生了交替發(fā)生的尾渦,
4.3 三維渦激振動(dòng)流固耦合計(jì)算
本文采用CFX和Ansys transit模塊進(jìn)行流固耦合計(jì)算,采用順序耦合方式和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),參考前文圓柱繞流分析的結(jié)果,對(duì)某構(gòu)件進(jìn)行了單獨(dú)的渦激振動(dòng)數(shù)值計(jì)算。
由三維靜態(tài)繞流計(jì)算可知,當(dāng)風(fēng)速U= 20 m/s時(shí),渦脫頻率fs= 25.5 Hz與物體的固有頻率fn接近,此風(fēng)速即為開(kāi)始渦激振動(dòng)的起振風(fēng)速。在此風(fēng)速下,進(jìn)行三維桿件渦激振動(dòng)仿真計(jì)算。
計(jì)算桿件橫向位移曲線(xiàn),如圖4所示。從圖4可以看出,3s后流動(dòng)穩(wěn)定,渦激振動(dòng)也變得穩(wěn)定。通過(guò)FFT變化,共振頻率為25.29 Hz,如圖5所示。6s時(shí),桿件位移與應(yīng)力如圖6、圖7所示。
由圖6、圖7可知,雖然產(chǎn)生了渦激振動(dòng),但是應(yīng)力并不大,沒(méi)有直接破壞桿件。
6s時(shí)流場(chǎng)的速度云圖、壓力動(dòng)圖如圖8、圖9所示。
由圖8、圖9可以看到,風(fēng)經(jīng)過(guò)桿件時(shí),產(chǎn)生了交替脫落的渦,因此產(chǎn)生渦激力,并且在三維方向流動(dòng)并不一致。
5 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)火炬塔渦激振動(dòng)進(jìn)行規(guī)范計(jì)算與數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn):規(guī)范計(jì)算是比較保守的,在產(chǎn)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象時(shí),桿件并不一定會(huì)發(fā)生破壞。數(shù)值計(jì)算雖然計(jì)算較之精確,但計(jì)算周期長(zhǎng)。因此,先采用規(guī)范進(jìn)行定性計(jì)算,篩選出典型構(gòu)件,再視情況進(jìn)行定量計(jì)算比較合理。在本文的研究中,沒(méi)有考慮其它桿件的遮蔽效應(yīng),僅研究了單根桿件,今后以整體為研究對(duì)像是三維數(shù)值研究發(fā)展的趨勢(shì)。
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