王亞非　孫麗萍　吳梓鑫

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

螺旋側板的導程對VIV影響的數(shù)值模擬

王亞非1)孫麗萍1)吳梓鑫2)

(哈爾濱工程大學深海工程技術研究中心1)哈爾濱150001)(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院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(VIV)，VIV會對立管產(chǎn)生嚴重的疲勞破壞作用，導致立管很快失效.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，在工程中螺旋側板的使用居多，螺旋側板在設計中有很多參數(shù)，如螺距、側板高度和覆蓋率等.文中基于Fluent軟件對不同導程螺旋側板的立管的尾流場進行數(shù)值模擬.結果發(fā)現(xiàn)，螺旋側板可以明顯的抑制渦激振動的影響.同時得到：在研究范圍內，螺旋側板隨導程增大控制旋渦發(fā)放效果越好，從而抑制渦激振動效果越佳；將數(shù)值模擬結果和文獻的實驗結果相比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好，驗證了數(shù)值模擬的可靠性.

關鍵詞：螺旋側板；導程；VIV；數(shù)值模擬

王亞非(1989- )：男，碩士生，主要研究領域為海洋立管

0引言

海洋立管是連接海底井口與海洋平臺或鉆井船的重要構件，既可以傳輸油氣，又可以用于鉆探生產(chǎn).VIV會對其產(chǎn)生嚴重的結構疲勞破壞作用[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，主要有螺旋側板(helicalstrakes)、導流板(splitterplate)、屏蔽裝置(shroud)，以及減振器(fairings)等，由于加工及安裝簡單、生產(chǎn)成本低等原因，實際工程中大多采用螺旋側板作為抑制設備，實驗也證明了其有效的抑制效果[2-4].螺旋側板的設計參數(shù)很多，主要是螺距、側板高度[5-6].

Korkischko等[7]在水動力實驗室中通過改變螺旋側板的幾何參數(shù)研究了對VIV的抑制效果，最后得到結論：螺旋側板可以改變旋渦脫落的頻率和降低立管的振動幅值.T.Zhou等[8]在UniversityofWesternAustralia風洞中用安裝了3個導程P=10 D和高度H=0.12 D螺旋側板立管進行實驗，實驗結果發(fā)現(xiàn)裸管在約化速度5～8.5范圍內有明顯的自鎖現(xiàn)象，而螺旋側板可以很好的抑制旋渦脫落同時立管沒有發(fā)生自鎖現(xiàn)象.Lee等[9]在OsakaUniversity的實驗水池用模型研究發(fā)現(xiàn)當螺旋側板的P=10 D和H=0.1 D時，側板可以明顯的減小VIV對柔性立管的水動力作用，升力大小對螺旋側板高度比較敏感.

但之前的研究多數(shù)集中于實驗方法，較少的涉及對螺旋側板的導程和VIV抑制作用的關系的進行控制變量的數(shù)值分析.故本文的目的是運用Fluent對螺旋側板的導程大小和VIV作用之間關系進行數(shù)值模擬，重點研究了立管尾流場中的旋渦脫落和立管所受的水動力隨導程變化情況.在數(shù)值模擬中，使用高度H=0.08 D(D=0.02m)和導程P分別為5D,8D,15D,17D的螺旋側板進行研究，將結果和文獻的實驗數(shù)據(jù)對比，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)學模型

1.1流體力學控制方程

當流體運動處于湍流狀態(tài)時，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為質量力；ρ為密度；t為時間；p為壓力；μ為流體的動力粘性系數(shù).

(2)

1.2結構動力學方程

圓柱體在運動的流體中因為所受的渦激力產(chǎn)生流向和橫向的運動，其運動方程為

(3)

(4)

式中：m為單位長度圓柱體的質量；c為結構阻尼系數(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為亞格子雷諾應力；μ為流體的動力粘性系數(shù).

2數(shù)值模擬

參考之前的實驗研究和模擬計算[10]，該算例流場區(qū)域采用長30D，寬20D，高15D的長方體，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)格對流場變化的影響，以立管模型為中心，周圍8D范圍內網(wǎng)格加密.與立管壁面相鄰區(qū)域也是流動狀態(tài)變化較為劇烈的區(qū)域，對整個流場的影響較大，也需進行加密處理.光滑立管模型一共分為12個區(qū)域，均采用結構網(wǎng)格；帶螺旋側板立管模型一共分為9個區(qū)域，進口、出口以及壁面區(qū)各分為3個區(qū)域，周圍八個區(qū)域采用結構網(wǎng)格，中間區(qū)域采用非結構網(wǎng)格，具體平面見圖1，立體見圖2.圖3為帶螺旋側板立管的表邊網(wǎng)格，圖4為帶不同導程螺旋側板立管的物理模型.

圖1　二維模型平面圖

圖2　三維計算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

圖4　帶螺旋側板立管的物理模型

圖3帶螺旋側板立管表面網(wǎng)格劃分

流體計算域的設置對于流體計算域所進行的簡化設定為：

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) 流體計算域的左側設為速度入口(velocityinlet)；側面和上下面均采用無滑移條件(wall)，右側設為自由出流邊界(outflow).

3結果與討論

3.1光滑立管

將網(wǎng)格劃分信息輸入Fluent，在Re=5 000時使用LES模型進行求解.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[11]的模擬結果1.26吻合良好.運用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[12]中的計算結果0.225相接近，說明了計算模型的可靠性，因而可以將所用區(qū)域及其他設置模擬帶螺旋側板的立管，并可以將該模擬結果作為帶螺旋側板立管的模擬結果的對比.

圖5　頻率分析圖

3.2帶不同導程的螺旋側板立管

為了和光滑立管相對比，同時參考文獻[8-9]實驗研究，此算例采取側板高為0.08D，選取不同導程(5D，8D，15D，17D)進行模擬計算，記為H0.08D-P5，H0.08D-P8，H0.08D-P15,以及H0.08D-P17四種螺旋側板.在Fluent軟件中帶螺旋側板的立管參數(shù)設置與光滑立管相同.通過數(shù)值模擬得到4種螺旋側板與光滑立管的拖拽力系數(shù)圖.

圖6　四種螺旋側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板高為0.08D的螺旋側板后，隨著螺旋側板導程的變化，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，針對拖拽力系數(shù)分析導程的影響情況.

表1　光滑立管和相同側板高不同導程螺旋側板拖拽力系數(shù)

分析表1可知，加上螺旋側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板減少對立管損傷的優(yōu)越性.對比不同導程的螺旋側板，可以看到當螺旋側板高度一定時，在5D～15D導程之內，拖拽力系數(shù)及其極差隨著導程增大而變大，而導程為17D時，拖拽力系數(shù)與其極差小于15D導程值.

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

圖7為光滑立管在Re=5 000時流場內部渦瀉放Z向渦量云圖，可以看出光滑立管在整個流場中呈現(xiàn)出較為規(guī)則的渦街發(fā)放形態(tài).圖8～11為0.08D側板高時不同導程下Z向渦量情況，可以看出螺旋側板影響了渦的發(fā)放，并且隨著導程的增大，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，表明螺旋側板很好的抑制了渦激振動的影響.同時也證實了螺旋側板導程越大，對尾流場影響越大，進而說明了能夠更好地抑制渦激振動.

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結束語

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

本文在研究螺旋側板抑制VIV時僅考慮了導程對其影響，但實際主要影響因素還有螺旋擦板的高度，建議以后在相關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板抑制渦激振動的本質.

參 考 文 獻

[1]HOWELLSH,BOWMANJ.Drillingriser/wellsysteminteractionindeepwater,harshenvironments[R].2HOffshoreEngineeringLimited,1997.

[2]NAOAKIM，AKIYOSHIB，KOJIT．Experimentalstudyofaflexibleriseroveredwithhelicalstrakes[C]．TheThirteenthInternatinalOffshoreAndPolarEngineeringConference,2003．

[3]HUANGShan.VIVsuppressionofatwo-degree-of-freedomcircularcylinderanddragreductionofafixedcircularcylinderbytheuseofhelicalgrooves[J].JournalofFluidsandStructures,2011，27：1124-1133.

[4]BLUMBERGM,TELLIERE.Experimentalevaluationofvortexinducedvibrationresponseofstrakedpipesintandemarrangements[C].OMAE2012-83772.

[5]沙勇，曹靜，張恩勇，等.抑制渦激振動的螺旋列板設計參數(shù)研究[J]. 海洋工程，2013, 31(1): 43-48.

[6]魏澤,吳乘勝,倪陽.基于正交設計和CFD模擬的Spar平臺螺旋側板水動力優(yōu)化設計研究[J]. 船舶力學, 2013, 17(10): 1133-1139.

[7]KORKISCHKOI,MENEGHINIJR.Experimentalinvestigationofflow-inducedvibrationonisolatedandtandemcircularcylindersfittedwithstrakes[J].JournalofFluidsandStructures，2010，26：611-625.

[8]ZHOUT,MOHDSF.RAZALI,Z，etal.Onthestudyofvortex-inducedvibrationofacylinderwithhelicalstrakes[J].JournalofFluidsandStructures，2011，27：903-917.

[9]LEEKQ,AMINUDINA,NAOMIK，etal.InvestigationontheeffectivenessofhelicalstrakesinsuppressingVIVofflexibleriser[J].AppliedOceanResearch，2014 ，44：82-91.

[10]TEZDUYARTE,SHIHR.Numericalexperimentsondownstreamboundaryofflowpastcylinder[J].J.Engrg.Mech.1991，117：854-871.

[11]詹昊，李萬平，方秦漢，等.不同雷諾數(shù)下圓柱繞流仿真計算[J].武漢理工大學學報，2008,30(12):129-132.

[12]WILLIAMSONCHK.Vortexdynamicsinthecylinderwake[J].AnnualReviewofFluidMechanics,1996,28:477-539.

NumericalSimulationontheEffectivenessofthe

中圖法分類號：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