螺旋列板及整流罩渦激抑制效果的ADINA—FSI分析

吳玉成 吳實(shí)淵

【摘要】利用ADINA軟件模擬螺旋列板和整流罩對(duì)渦激振動(dòng)的抑制效果。分析表明，螺旋列板和整流罩都能引起渦脫力和拖曳力的變化，通過(guò)干擾流場(chǎng)，很好地抑制了渦激振動(dòng)。

【關(guān)鍵詞】立管 螺旋列板 整流罩 渦激振動(dòng) 響應(yīng)振幅 拖曳力

1 渦激振動(dòng)數(shù)值分析模型

本文采用ADINA軟件在流體模塊和結(jié)構(gòu)模塊中建立模型，模擬螺旋列板和整流罩兩種抑振裝置，并與光滑立管進(jìn)行對(duì)比，來(lái)進(jìn)行抑振效果研究。

1.1 流場(chǎng)模型

采用K-ε湍流模型，在瞬態(tài)分析中運(yùn)用三維FCBI-C單元和復(fù)合時(shí)間積分模擬渦激振動(dòng)，并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用SIMPLE（分離）法和PISO算法在FSI求解器中進(jìn)行求解。

1.2 立管結(jié)構(gòu)模型

立管結(jié)構(gòu)模型采用隱式動(dòng)力學(xué)算法，運(yùn)用自動(dòng)時(shí)間歩進(jìn)行計(jì)算。三種立管分別為光滑立管、螺旋列板立管和整流罩立管。列板高度和螺距用外徑（D）來(lái)表示，依據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究^[1-3]選取立管參數(shù)為：列板高度0.2D，螺距10D，三螺旋。考慮到穩(wěn)定性，本模型中選取弦厚比為1.5的短整流罩進(jìn)行建模分析。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 流場(chǎng)分析

流場(chǎng)應(yīng)力云圖如圖1。螺旋列板（圖1-b）對(duì)尾流場(chǎng)有明顯的擾動(dòng)作用，分析表明，這是由于螺旋列板引起了分離線沿立管軸向的變化，形成紊亂且非周期性的尾流，進(jìn)一步的切片分析表明，漩渦脫落情況沿立管軸向不斷變化，在一定程度上互相抑制抵消，從而達(dá)到抑振的效果，但這也會(huì)增加拖曳力。而整流罩（圖1-c）明顯減弱了尾流場(chǎng)的擾動(dòng)，有很好的抑振效果，而且能大幅減小拖曳力。

2.2 渦激振動(dòng)響應(yīng)分析

響應(yīng)振幅見(jiàn)圖2，其中光滑立管、螺旋列板立管、整流罩立管響應(yīng)振幅分別為3.3、0.7、0.45。螺旋列板使響應(yīng)振幅減小78.8%，整流罩大幅減少86.4%。另?yè)?jù)相關(guān)研究顯示^[4]，螺旋列板能有效減小70%～80%的響應(yīng)振幅，而整流罩抑制性能更好，能使響應(yīng)振幅減少80%以上，并消減曳力超過(guò)50%?？梢?jiàn)，本次數(shù)值模擬結(jié)果很好的印證了相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)成果。

2.3 拖曳力分析

曳力性能也是抑振裝置的重要性能指標(biāo)。拖曳力引起的立管順流向位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖3，其中三種立管的位移分別為2.5、3.0、0.9，螺旋列板使立管的位移增加20%，而整流罩使立管位移大幅減少64%。分析表明：這是由于螺旋列板增強(qiáng)了流場(chǎng)的擾動(dòng)，使拖曳力變大，從而引起立管位移的增加；而整流罩能使繞流體呈平滑的流線型態(tài)，減小流體的拖曳力，使立管位移大幅減少。

3 結(jié)論

渦激振動(dòng)是導(dǎo)致海洋立管等海洋結(jié)構(gòu)物疲勞破壞的重要原因，雖然螺旋列板和整流罩都能起到很好的抑振作用，但它們的抑振性能、抑振原理并不相同。

（1）合理設(shè)計(jì)的螺旋列板能很好的控制流動(dòng)分離，減小漩渦尺寸，使渦激振動(dòng)響應(yīng)減少70%以上，但是會(huì)相應(yīng)的增加拖曳力。

（2）整流罩能使流場(chǎng)沿其外沿平滑流動(dòng)，使來(lái)流趨于流線性，因此能減少渦激振動(dòng)響應(yīng)80%以上，同時(shí)能減小超過(guò)50%的拖曳力，具有優(yōu)異的抑振性能。

（3）綜合比較螺旋列板和整流罩的抑振效果可以發(fā)現(xiàn)，整流罩相比螺旋列板抑制性能更強(qiáng)，尾流穩(wěn)定性更好。但是整流罩設(shè)計(jì)難度大，制作安裝復(fù)雜，成本較高。所以，雖然整流罩相比螺旋列板擁有更好的抑振性能，但是目前來(lái)說(shuō)螺旋列板具有更好的性價(jià)比。

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