金屬材料與復合材料海洋立管的三維CFD渦激振動模擬

王春光，馬銀行，孫明鈺，張 璐，王有鏜

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

金屬材料與復合材料海洋立管的三維CFD渦激振動模擬

王春光1，馬銀行1，孫明鈺2，張 璐1，王有鏜1

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

研究了流固耦合作用下，傳統金屬海洋立管與復合材料海洋立管的渦激振動特性，并對比了雷諾數Re=7 500時，兩種海洋立管的動力響應. 利用ANSYS-Transient模塊，采用等效模量法構建兩種海洋立管模型；利用Fluent模塊建立流體場模型，并通過system-coupling模塊實現立管和流體場的流固耦合作用. 由于兩種海洋立管的外徑、支撐條件、雷諾數等相同，所以它們的尾渦云圖，速度矢量圖及升阻力系數特性基本相同. 但由于兩種海洋立管的材料屬性，頂張力等不同，它們的動力特性明顯不同.相同流場條件下，復合材料海洋立管具有更大的變形及更小的應力響應.

水下管道；渦激振動；復合材料海洋立管；流固耦合；計算流體力學

海洋立管是海洋資源開發中不可或缺的海洋結構. 由于傳統金屬立管的較大密度，隨著水深的增加，立管自重顯著增加，使其對頂張力的要求不斷增加，從而需要更大的海洋平臺或減少所連接立管的數量. 因此，金屬海洋立管的自重成為限制深水海洋資源開發的一個重要因素. 由于纖維復合材料具有極佳的機械性能和較低密度，復合材料海洋立管將在很大程度上降低自重，并相應地減少對現有海洋平臺的頂張力需求和運營成本，有利于深海石油及天然氣的開發和輸送[1]. 此外，纖維復合材料還具有更好的保溫隔熱性，耐腐蝕性和抗疲勞性，從而可以減少維護和使用成本[2]. 因此，越來越多的國家、能源公司以及研究人員關注并重視復合材料海洋立管的研究和應用. 目前，纖維復合材料在海洋工程中的應用處在一個起步階段，而復合材料海洋立管也還處在實驗設計和模型測試階段. 從20 世紀90 年代開始，多個國家先后開展的復合材料立管項目，驗證并肯定了復合材料立管優良的基本力學特性，例如，美國國家標準與技術研究院(NIST)及先進技術計劃局(ATP)的玻璃纖維與碳纖維復合材料立管項目，Airborne Composite Tubulars, MCS Advanced Sub-sea Engineering 和 OTM Consulting 開展的熱塑性復合材料立管項目等[3-5].同時，Silva[6]，Wang[7]等人對復合材料海洋立管的優化設計進行了探索. 復合材料立管作為海洋立管的一種發展形式，其渦激振動及疲勞性能分析是不可忽略的一個環節，也是推進復合材料海洋立管應用于實際工程中的必要環節. 渦激振動研究始于風洞實驗. 之后，改進的尾流振子模型被廣泛應用到柔性細長柱體的渦激振動研究中：黃維平等[8]建立了考慮大變形的大柔性立管渦激振動數學模型，而郭海燕等[9]則研究了立管內流對海洋立管渦激振動特性及頂張力的影響. 近年來，越來越多的研究者開始轉向利用計算流體動力學(CFD)技術解決VIV問題[10-11]. 然而，相對于傳統金屬材料立管，復合材料立管的渦激振動研究還處于起步階段[12-15]. 初步的研究大多采用經驗模型，而忽略了復合材料立管與流體之間的流固耦合作用. 由此，本文利用計算流體動力學(CFD)方法，在考慮流固耦合作用的前提下，模擬并對比了傳統金屬海洋立管與復合材料海洋立管渦激振動的特征及典型區別.

1 數值模型

1.1 材料屬性及結構尺寸

本文對滿足相同功能要求的金屬及復合材料海洋立管[7]進行了基于流固耦合作用的三維CFD渦激振動模擬. 物理模型在縮尺理論的基礎上進行簡化，復合材料海洋立管的結構構造為22層的[liner/90/(0/90)10]，兩種立管的長細比均為50. 兩種立管及相應流場的參數見表1.

表1 海洋立管幾何尺寸及材料屬性

立管類型外徑/m壁厚/mm長度/m密度/kg·m-3彈性模量/GPa泊松比頂張力/NRe流場密度/kg·m3流速/m·s-1金屬立管0.021.2178502070.380750010240.4復合材料立管0.020.9611500300.360750010240.4

對于復合材料海洋立管，其彈性模量需考慮各纖維層的材料屬性，纖維角度，層疊方式等因素，可采用公式(1)-(6)進行計算.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 流體場與立管模型

海洋立管兩個模型分別采用金屬材料和各向同性復合材料，其材料參數、尺寸參數及頂張力參數見表1. 立管上部鉸接，下部固接，其模型節點數為2 840，單元數為400. 圖1展示了立管模型.

流體區域水平投影為18D32D的長方形(D為立管外徑)，立管周圍6D6D的范圍內設置動網格并進行網格細化，入口邊界距離立管9D，兩側邊界距離立管9D. 流體場網格數量約為22萬個. 進口邊界設為速度入口(inlet)，u=0.4m/s，湍流強度I=0.052 4(公式7)，水力直徑取為0.02m. 出口邊界為自由出流(outflow)，上下邊界和流固耦合面設為無滑移壁面(wall)，左右面設為對稱面(symmetry). 采用湍流模型LES(大渦模擬)和二階中心差離散格式進行模擬. 流場模型見圖2.

圖1 海洋立管模型及網格劃分

圖2 流體場模型

(7)

利用ANSYS-Transient模塊，采用等效模量法構建兩種海洋立管模型，利用Fluent模塊建立流體場模型，并通過system-coupling模塊實現立管和流體場的流固耦合作用.

2 兩種海洋立管的結果對比

本節給出了雷諾數Re=7 500，均勻來流速度為u=0.4m/s的情況下，兩種海洋立管的尾渦云圖、速度矢量圖、升阻力系數圖以及立管振動特性的數值模擬結果，并進行對比.

2.1 兩種海洋立管尾渦云圖特性

圖3到圖5展示了兩種海洋立管渦激振動尾渦渦量云圖隨時間的發展過程. 從圖中可以看出，兩個海洋立管的尾渦特征相似，即：尾渦云圖隨著時間的推移，尾渦逐漸發展，最后趨于動態的穩定，成為周期性交替泄放的紊流漩渦，這是典型的次臨界階段(300≤Re≤3×105)的紊流漩渦. 對比三種不同高度平面(z=0.25m，z=0.5m，z=0.75m)的尾渦云圖，可以看出在立管小變形的情況下，各高度的尾渦發展形勢差別不大.

2.2 兩種海洋立管速度矢量圖特性

圖6到圖8展示了兩種海洋立管的速度矢量圖隨時間的發展過程，可以看出，水流在流經立管后，速度場發生變化，在立柱兩側，速度將大于來流速度，并向后以波浪形狀發展，在立管的后側，速度將小于來流速度，并向后程波浪形狀發展. 流場穩定后，流場動態平衡呈現周期性.

2.3 兩種海洋立管升阻力系數圖特性

圖9可以看出兩種海洋立管的升阻力隨時間變化的曲線基本一致，且升阻力系數的周期性很明顯，兩種海洋立管升力系數變化的頻率均約為3.12Hz.

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖3 T=1s時的兩種海洋立管漩渦脫落圖

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖4 T=2s時的兩種海洋立管漩渦脫落圖

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖5 T=5s時的兩種海洋立管漩渦脫落圖

2.4 兩種海洋立管的動力特性

圖10展示了兩種海洋立管的最大位移. 從圖中可以看到兩種海洋立管的總位移都較小，金屬海洋立管的最大位移值為2.076×10-5m，復合材料海洋立管最大位移值約為1.43×10-4m，二者的最大位移均發生在立管中部. 復合材料海洋立管的位移約為金屬海洋立管的7倍.

圖11展示了兩種海洋立管總位移最大點的順流向及橫流向位移時程曲線，金屬海洋立管總位移最大點的順流向位移不大于2.0×10-5m，橫流向位移不大于1×10-5m；復合材料海洋立管總位移最大點的順流向位移不大于1.4×10-4m，橫流向位移不大于8×10-5m.

圖12展示了兩種海洋立管跨中截面運動軌跡. 從圖中可以看出，由于升力和阻力的作用，立管橫流向振動和順流向振動都會受到影響: 立管先從原來初始位置，先向x向產生一個大的位移，然后在此位置做順流向小位移周期振動及橫流向大位移周期振動，運動軌跡呈現不規則的8字形狀.

圖13為兩種材料海洋立管的應力及應變最值的時程曲線，復合材料海洋立管的最大應變大約是金屬海洋立管最大應變的5倍；而相對金屬海洋立管而言，復合材料的應力相對較小.

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖6 T=1s時的兩種海洋立管速度矢量圖

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖7 T=2s時的兩種海洋立管速度矢量圖

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖8 T=5s時的兩種海洋立管速度矢量圖

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖9 兩種海洋立管的升阻力系數時程圖

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖10 兩種海洋立管的最大位移對比

(a)順流向 (b)橫流向圖11 兩種海洋立管的順流向及橫流向位移時程曲線

(a)金屬立管 (b)復合材料立管圖12 兩種海洋立管跨中截面運動軌跡

(a)應變時程曲線 (b)應力時程曲線圖13 兩種海洋立管的順流向及橫流向位移時程曲線

3 結論

以等效彈性模量法為基礎，建立了金屬海洋立管與復合材料海洋立管模型，并利用基于流固耦合作用的三維CFD渦激振動模擬，探索并對比了兩種海洋立管的渦激振動特征：

(1)兩種海洋立管在渦激振動影響下的漩渦脫落狀態均為典型的2S型，且橫流向振動具有明顯的周期性. 渦激振動作用下，兩種立管均先沿來流向產生一個大的位移，然后在此位置做沿來流向小位移振動及橫流向大位移周期振動，運動軌跡呈現不規則的8字形狀.

(2)由于兩種海洋立管的外徑，支撐條件，雷諾數等相同，它們的尾渦云圖，速度矢量圖及升阻力系數特性基本相同.

(3)由于兩種海洋立管的材料屬性，頂張力等不同，它們的動力特性具有明顯不同：相同流場條件下，復合材料海洋立管具有更大的變形及更小的應力響應.

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(編輯：姚佳良)

3D simulation of vortex-induced vibration for steel and composite risers

WANG Chun-guang1，MA Yin-hang1，SUN Ming-yu2， ZHANG Lu1，WANG You-tang1

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China；2. School of Highway, Chang′an University, Xi′an 710064, China)

The Vortex-induced vibration (VIV) features of steel and composite risers are investigated with fluid to structure interaction (FSI) and their dynamic responses are compared withRe=7 500. ANSYS-Transient and Fluent are utilized to model the risers and flow field, respectively. The FSI is achieved by system-coupling. The trailing vortex, velocity vector and CL&CDof the two types of risers are quite similar, for their outside diameters, support conditions andReare the same. However, as their material properties and top-tension force are different, their dynamic responses are different. In the same flow field, composite riser has larger displacement and smaller stress.

underwater riser；vortex induced vibration；composite riser；fluid to structure interaction；CFD

2016-09-28

山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目 (BS2014SF013)

王春光, 男, cgwang@sdut.edu.cn; 通信作者：王有鏜, 男, wyt@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)05-0035-07

P756.2

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