螺旋侧板的导程对VIV影响的数值模拟

王亚非　孙丽萍　吴梓鑫

(哈尔滨工程大学深海工程技术研究中心1)　哈尔滨　150001)　(江苏科技大学船舶与海洋工程学院2)　镇江　212000)

螺旋侧板的导程对VIV影响的数值模拟

王亚非1)孙丽萍1)吴梓鑫2)

(哈尔滨工程大学深海工程技术研究中心1)哈尔滨150001)(江苏科技大学船舶与海洋工程学院2)镇江212000)

摘要：海洋立管在来流影响下极易发生涡激振动(VIV)，VIV会对立管产生严重的疲劳破坏作用，导致立管很快失效.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响，在工程中螺旋侧板的使用居多，螺旋侧板在设计中有很多参数，如螺距、侧板高度和覆盖率等.文中基于Fluent软件对不同导程螺旋侧板的立管的尾流场进行数值模拟.结果发现，螺旋侧板可以明显的抑制涡激振动的影响.同时得到：在研究范围内，螺旋侧板随导程增大控制旋涡发放效果越好，从而抑制涡激振动效果越佳；将数值模拟结果和文献的实验结果相比较，发现二者吻合良好，验证了数值模拟的可靠性.

关键词：螺旋侧板；导程；VIV；数值模拟

王亚非(1989- )：男，硕士生，主要研究领域为海洋立管

0引言

海洋立管是连接海底井口与海洋平台或钻井船的重要构件，既可以传输油气，又可以用于钻探生产.VIV会对其产生严重的结构疲劳破坏作用[1]，减少了立管的使用寿命.目前人们研制出了各种涡激抑制装置，主要有螺旋侧板(helicalstrakes)、导流板(splitterplate)、屏蔽装置(shroud)，以及减振器(fairings)等，由于加工及安装简单、生产成本低等原因，实际工程中大多采用螺旋侧板作为抑制设备，实验也证明了其有效的抑制效果[2-4].螺旋侧板的设计参数很多，主要是螺距、侧板高度[5-6].

Korkischko等[7]在水动力实验室中通过改变螺旋侧板的几何参数研究了对VIV的抑制效果，最后得到结论：螺旋侧板可以改变旋涡脱落的频率和降低立管的振动幅值.T.Zhou等[8]在UniversityofWesternAustralia风洞中用安装了3个导程P=10 D和高度H=0.12 D螺旋侧板立管进行实验，实验结果发现裸管在约化速度5～8.5范围内有明显的自锁现象，而螺旋侧板可以很好的抑制旋涡脱落同时立管没有发生自锁现象.Lee等[9]在OsakaUniversity的实验水池用模型研究发现当螺旋侧板的P=10 D和H=0.1 D时，侧板可以明显的减小VIV对柔性立管的水动力作用，升力大小对螺旋侧板高度比较敏感.

但之前的研究多数集中于实验方法，较少的涉及对螺旋侧板的导程和VIV抑制作用的关系的进行控制变量的数值分析.故本文的目的是运用Fluent对螺旋侧板的导程大小和VIV作用之间关系进行数值模拟，重点研究了立管尾流场中的旋涡脱落和立管所受的水动力随导程变化情况.在数值模拟中，使用高度H=0.08 D(D=0.02m)和导程P分别为5D,8D,15D,17D的螺旋侧板进行研究，将结果和文献的实验数据对比，发现二者吻合良好，表明了数值模拟的可靠性.

1数学模型

1.1流体力学控制方程

当流体运动处于湍流状态时，由非稳态的连续方程和N-S方程而求解得到.

(1)

式中：F为质量力；ρ为密度；t为时间；p为压力；μ为流体的动力粘性系数.

(2)

1.2结构动力学方程

圆柱体在运动的流体中因为所受的涡激力产生流向和横向的运动，其运动方程为

(3)

(4)

式中：m为单位长度圆柱体的质量；c为结构阻尼系数；k为弹簧刚度系数；Fx(t)为流向的阻力；Fy(t)为横向的升力.

1.3LES原理

(5)

式中:u为速度矢量在X,Y,Z方向的分量；p为压力；ρ为密度；τij为亚格子雷诺应力；μ为流体的动力粘性系数.

2数值模拟

参考之前的实验研究和模拟计算[10]，该算例流场区域采用长30D，宽20D，高15D的长方体，D=20mm，D为立管模型直径，上游为10D，下游为20D，两边宽各为10D.考虑到不同区域网格对流场变化的影响，以立管模型为中心，周围8D范围内网格加密.与立管壁面相邻区域也是流动状态变化较为剧烈的区域，对整个流场的影响较大，也需进行加密处理.光滑立管模型一共分为12个区域，均采用结构网格；带螺旋侧板立管模型一共分为9个区域，进口、出口以及壁面区各分为3个区域，周围八个区域采用结构网格，中间区域采用非结构网格，具体平面见图1，立体见图2.图3为带螺旋侧板立管的表边网格，图4为带不同导程螺旋侧板立管的物理模型.

图1　二维模型平面图

图2　三维计算区域网格划分示意图

图4　带螺旋侧板立管的物理模型

图3带螺旋侧板立管表面网格划分

流体计算域的设置对于流体计算域所进行的简化设定为：

1) 参考物理模型中，立管系统完全处于自由液面以下的水体中心，不考虑空气影响，采取单相模拟.

2) 流体计算域的左侧设为速度入口(velocityinlet)；侧面和上下面均采用无滑移条件(wall)，右侧设为自由出流边界(outflow).

3结果与讨论

3.1光滑立管

将网格划分信息输入Fluent，在Re=5 000时使用LES模型进行求解.得到拖拽力系数Cd和升力系数Cl曲线图.

可以求出拖拽力系数约为1.27，与文献[11]的模拟结果1.26吻合良好.运用MATLAB软件通过编程做出频率分析图(见图5)，得到该数值模拟情况下主频为2.560 8Hz，由此算得斯特劳哈数为0.205，与文献[12]中的计算结果0.225相接近，说明了计算模型的可靠性，因而可以将所用区域及其他设置模拟带螺旋侧板的立管，并可以将该模拟结果作为带螺旋侧板立管的模拟结果的对比.

图5　频率分析图

3.2带不同导程的螺旋侧板立管

为了和光滑立管相对比，同时参考文献[8-9]实验研究，此算例采取侧板高为0.08D，选取不同导程(5D，8D，15D，17D)进行模拟计算，记为H0.08D-P5，H0.08D-P8，H0.08D-P15,以及H0.08D-P17四种螺旋侧板.在Fluent软件中带螺旋侧板的立管参数设置与光滑立管相同.通过数值模拟得到4种螺旋侧板与光滑立管的拖拽力系数图.

图6　四种螺旋侧板立管与光滑立管的Cd曲线

从图6可以清晰的看出加上侧板高为0.08D的螺旋侧板后，随着螺旋侧板导程的变化，旋涡泻放的频率发生很大变化，拖拽力系数总体上介于0.9～1.05之间，相比于光滑立管有了显著地下降，即加上螺旋侧板后立管所受拖拽力减小了，立管所受的损坏也就减轻了.除此而外，还可以看出加上螺旋侧板后，拖拽力系数的振幅有了明显的减小，同样说明了立管受力的减弱.通过数据处理，得到表1，针对拖拽力系数分析导程的影响情况.

表1　光滑立管和相同侧板高不同导程螺旋侧板拖拽力系数

分析表1可知，加上螺旋侧板后立管的拖拽力系数平均减少了20%之多，极差不及原先光滑立管的10%，通过数据量化的说明了螺旋侧板减少对立管损伤的优越性.对比不同导程的螺旋侧板，可以看到当螺旋侧板高度一定时，在5D～15D导程之内，拖拽力系数及其极差随着导程增大而变大，而导程为17D时，拖拽力系数与其极差小于15D导程值.

虽然入口边界来流是单向的，但是在绕流过螺旋侧板后，旋涡流由端部向尾流移动，流体呈现出复杂的三维特性.文中选用Z向涡量云图比较其尾流场.

图7为光滑立管在Re=5 000时流场内部涡泻放Z向涡量云图，可以看出光滑立管在整个流场中呈现出较为规则的涡街发放形态.图8～11为0.08D侧板高时不同导程下Z向涡量情况，可以看出螺旋侧板影响了涡的发放，并且随着导程的增大，立管后方涡的泻放越加紊乱，涡街已不能有规律的发放，表明螺旋侧板很好的抑制了涡激振动的影响.同时也证实了螺旋侧板导程越大，对尾流场影响越大，进而说明了能够更好地抑制涡激振动.

图7　光滑立管Z向涡量云图

图8　H0.08-P5立管Z向涡量云图

图9　H0.08-P8立管Z向涡量云图

图10　H0.08-P15立管Z向涡量云图

图11　H0.08-P17立管Z向涡量云图

4结束语

本文利用大涡模拟数值计算了三维情况下雷诺数Re=5 000时光滑立管和带有螺旋侧板的立管，分别通过选用不同导程研究了螺旋侧板对尾流场的影响.通过拖拽力系数、升力系数以及Z向涡量云图的对比分析，得出结论：在模拟范围内螺旋侧板随导程增大明显的抑制了涡激振动对立管的影响，其中导程P=17D综合效果最佳，且水动力系数减小幅度达到了23.93%.将数值模拟和文献[3]的实验结果(水动力减额为25%)相对比，发现二者的水动力系数减幅基本接近，同时和DNV-RP-F204推荐导程值(17.5D)相符合.

本文在研究螺旋侧板抑制VIV时仅考虑了导程对其影响，但实际主要影响因素还有螺旋擦板的高度，建议以后在相关的研究中考虑高度的作用效果，这样可以更好的探究螺旋侧板抑制涡激振动的本质.

参 考 文 献

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NumericalSimulationontheEffectivenessofthe

中图法分类号：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