随着海洋油气的勘探开发向深海迈进,在深海平台立管设计中涡激振动成为亟待解决的关键问题。涡激振动经过了一个世纪的研究仍然经久不衰,因为其本身是一个非常复杂的非线性流固耦合问题,对现象与机理的内在联系还存在很多疑问。海洋工程作业中的立管在流向和横向均会发生涡激振动,流向振动会对横向振动产生耦合影响,使得涡激振动更加复杂。国内对高雷诺数下时域数值预报细长柔性立管涡激振动的方法还不成熟,特别是对流向振动的预报分析及超大长细比立管涡激振动的数值模拟还比较薄弱。所以在设计立管结构时,不得不采用近10倍的安全系数来确保安全。因此精确预报细长柔性立管的涡激振动响应显得越来越重要。本文以开源程序库OpenFOAM为开发平台,基于求解粘性流控制方程Navier-Stokes和结构动力学方程,完成了涡激振动时域响应预报求解器viv-FOAM-SJTU的开发。求解器具有良好的通用性,可以完成静止圆柱绕流、刚性圆柱的受迫振动、刚性圆柱的自激振动、及细长柔性立管涡激振动的数值模拟,还可以通过圆柱的受迫振动预报出自激响应。求解器采用了C 语言面向对象的编程思想,公共接口采用抽象类的方法,使函数接口统一。为了求解大柔性立管涡激振动的流固耦合问题,在OpenFOAM自带的用Laplace方程求解动网格的基础上,深入研究和开发径向基函数(RBF)动网格技术使求解器可以适应立管位移过大的情况。为了验证求解器的可靠性及精度,论文分别对刚性圆柱和细长柔性立管的涡激振动的标准问题进行了验证:1.采用大涡模拟(LES)方法结合Smagorinsky亚格子模型对高雷诺数下三维静止圆柱绕流的标准问题进行了分析,研究了不同长细比的影响。通过对速度场瞬时特性及圆柱尾涡的分析,展示了湍流的随机脉动及三维特性。在此基础上研究了圆柱轴向长度的变化对计算结果的影响。通过对轴向相关性的分析,揭示二维简化模型不能捕捉到回流区且误差很大,并给出三维圆柱绕流数值模拟的合理长细比建议。2.基于viv-FOAM-SJTU对刚性圆柱涡激振动的标准问题进行验证。采用雷诺时均方法(RANS)结合SST-k?湍流模型对单向及两向自由度低质量比(m~((9))(28)2.4)弹性支承圆柱的涡激振动进行了计算。数值模拟重现了试验的响应分支及分支所对应的尾涡模式,给出了涡激振动的锁定和非锁定区间。通过对比单向及两向自由度涡激振动的计算结果,认为流向自由度对涡激振动的影响不仅仅在于其产生了流向振动,更重要的是流向自由度会对横向自由度产生耦合影响,使得两向自由度激发出比单向自由度更高的横向振幅响应。3.基于viv-FOAM-SJTU对细长柔性立管涡激振动模块进行验证。选用F.J.HueraHuarte(2006)的标准试验开展数值模拟研究。分别对立管流向振动和横向振动的结构响应进行分析,数值计算得到的立管振动主控模态、包络线、流向位移平均值等结果均和试验吻合很好,同时也显示了立管涡激振动的多模态特性。并从立管自然频率、振动频率和泻涡频率的角度出发,分析立管涡激振动主控模态的发生机理。通过对流体场(水动力系数、各切片的涡量场)的研究,剖析流场诱发立管涡激振动响应的内在联系。对标准问题的考察验证完成后,论文还进一步对求解器的应用开展了不同问题的数值研究:1.首先开展了受迫振动与自激振动之间内在联系的机理研究。基于复解调方法求解出圆柱受迫运动的位移与升力之间的相位角。当圆柱以某些频率和幅值进行受迫振动,伴随相位角的变化,尾涡模式会在2P和2P_O模式之间来回切换,这解释了自激振动中上端分支与下端分支间存在不间断来回切换的原因。基于自激振动的能量平衡观点,提出基于受迫振动的计算结果预报自激响应的方法并进行了验证。2.通过对立管结构及流场控制参数进行修改,开展细长柔性立管涡激振动的应用研究。分别研究了顶端预张力、来流流速及质量比对涡激振动的影响,给出不同工况下的响应模态及趋势分析。顶端预张力和质量比的变化因为会对立管自然频率产生影响,从而改变立管的振动模态。顶张力的增加会使立管振动模态降低;质量比的增加会使立管振动模态升高。来流流速对振动模态也有影响,但机理与前面不同。流速的变化会导致立管泻涡频率的变化,进而影响立管的振动频率。流速越高立管振动模态也越高。3.开展了串列立管之间相互干涉的应用研究,考察立管之间的间距对干涉结果的影响。研究发现:立管之间的间距对上游立管的振动模态影响不大,但会影响下游立管的模态。在与标准算例相同的工况下,上游立管的主控模态为4阶,与单根立管的振动模态一致。下游立管受上游立管尾流干涉的作用,主控模态为3阶。随着立管间距的增大,下游立管的3阶模态的权重逐渐降低,而4阶模态的权重逐渐增高,间距的增大使得下游立管的振动模态朝着单根立管的振动趋势发展。4.论文最后开展了长细比为500,750和1000的立管分别在均匀流与剪切流中的涡激振动研究,旨在考察立管长细比及流场剖面对振动模态的影响。长细比为500时,立管横向振动为单一模态的驻波。随着长细比的增加,立管流向振动的平衡位置显著增加,立管振动模态增高,同时横向振动由单模态转变为多模态。当长细比为1000时,立管表现为更加复杂的振动,有2个主控模态,多个振动模态。流场剖面主要影响立管振动各阶振动模态的权重,在某些工况下,使得剪切流中激励出比均匀流中更高的模态响应。本文基于OpenFOAM开发了柔性立管涡激振动的求解器viv-FOAM-SJTU,通过对多种复杂工况下涡激振动的数值模拟,有效证明了求解器的可靠性。通过对计算结果的分析加深了对立管涡激振动的响应特性及其发生机理的认识,为进一步完善立管涡激振动的预报模型提供了有价值的参考。