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原文传递平板流动特性及其对深海平台垂荡抑制机理的研究

论文题名：	平板流动特性及其对深海平台垂荡抑制机理的研究
关键词：	计算流体动力学;平板流动特性;深海平台;垂荡抑制机理;水动力性能;数值模拟
摘要：	平板是一种在工程中广泛使用的构件。由于其特殊的几何外形，经特别设计的平板构件往往发挥着其它几何构件不可替代的作用，如飞机机翼和船舶减摇鳍等。安装在深海桁架式单立柱平台(Truss Spar)上的垂荡板构件就在平台垂荡性能的改善方面发挥着重要作用。由于海洋平台的垂荡性能直接关系着海上油气钻采方案的选配和人员及设备的安全，历来备受业界关注。然而，由于垂荡板这种平板结构物所牵涉的复杂的流体力学机理，垂荡板的设计和对安装有垂荡板的平台的垂荡性能的预报一直是海洋工程领域的难题。　　近20多年来，国内外的学者针对垂荡板的水动力性能进行了大量的研究。这些研究内容丰富、手段多样，为揭示垂荡板与流体相互作用的机理做出了重要贡献。然而，受当时技术手段的限制，这些研究对于深入解释垂荡板的作用机理和准确预报垂荡板的水动力性能尚显不足。一方面，多数研究局限于对垂荡板的力学特性（附加质量和阻尼）的讨论，鲜有人能够从流场的角度研究垂荡板与流体相互作用的机理;另一方面，公开文献中所用的数值模拟方法多数存在过分假设的问题，如将三维流场简化为二维进行计算、采用势流方法求解等。为此，本文以垂荡板在海洋平台垂荡抑制中的应用为背景，围绕平板结构物与流体相互作用的机理，对相关数值模拟方法、多种流动形式下的平板流体力学特性、不同流动参数和平板几何特征对平板流体力学特性的影响、以及多种波浪环境下平台垂荡运动预报等问题进行了深入研究分析。文中的数值模拟研究是基于开源计算流体动力学(CFD)程序包OpenFOAM而进行的。　　基于k-ω SST(Shear-Stress Transport)湍流模型的二维数值模拟研究揭示了二维数值模拟方法对无限长平板绕流进行数值模拟的局限性。具体地，对于截面侧比率（板厚/板宽）小于0.6的平板，二维数值模拟所得的平板的阻力显著高于实验值。　　基于大涡模拟方法，对高雷诺数下无限长平板和圆盘绕流的平均流场特征、尾流频率特征、平板受力及其与尾流形态的关系等问题进行了深入分析。　　基于直接数值模拟方法，对在低雷诺数下沿自身轴线做往复振荡运动的圆盘周围的流场形态进行了研究。研究发现，振荡圆盘周围存在三种流动形态:轴对称的流场、对称平面固定的平面对称流场和对称平面转动的平面对称流场，为相关流动机理的揭示奠定了基础。　　基于大涡模拟方法，对尺度效应（即雷诺数的因素）对圆形垂荡板（或平板）的水动力特性的影响进行了研究。研究表明，在很宽的雷诺数范围内(Reo=103-108)，雷诺数对垂荡板的附加质量系数和阻尼系数的影响并不显著。该研究为基于傅汝德相似定律而进行的水池模型试验提供了理论支持。　　基于直接数值模拟方法，对低雷诺数下水平流对圆形垂荡板的水动力特性的影响进行了研究。研究表明，当折合水平流速度增大时，垂荡板的附加质量系数减小，阻尼系数增大，且在折合流速度较大时该影响尤为显著。　　基于自主研制的单自由度强迫振荡装置，对多种几何因素对垂荡板水动力特性的影响进行了实验研究。研究中考虑的几何因素包括:垂荡板的厚径比、形状、边缘倒角半径、孔隙率（开孔面积/板面积）和开孔大小、以及多垂荡板的板间距等。　　提出了一种对带有垂荡板的海洋平台在波浪中的垂荡运动响应进行数值求解的简化方法。该方法的思想在于，采用势流方法求解平台上部浮体的水动力系数和波浪载荷，而用CFD方法求解平台下部垂荡板构件所受的粘性阻力。研究中，首先基于势流软件HydroD求得平台上部浮体的附加质量和势流阻尼，然后基于开源CFD程序包OpenFOAM求解平台下部垂荡板构件所受流体阻力，最后在OpenFOAM中建立平台垂荡运动方程并采用四阶龙格库塔方法求解，从而获得随时间变化的平台运动结果。该方法为带有垂荡板的平台的运动的数值模拟提供了一种新的思路。　　总之，以垂荡板在深海平台中的应用为研究背景，围绕平板结构物的流体力学特性，在相关数值模拟方法和流动机理的揭示等方面都做了一些探索。该研究为平板结构物的流体力学机理的揭示和垂荡板水动力性能的优化和预报提供了有益的参考，部分研究成果和结论填补了流体力学领域相关研究的空白。
作者：	田新亮
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	杨建民
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文