基于ANSYS的涡激振动流固耦合数值分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景及意义

当今陆地石油资源开采日渐萎缩,加速开发海洋石油资源已经成为世界各国的共同目标。据不完全统计,世界海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%。在我国300多万平方千米的蓝色国土中,大约有360亿吨石油资源量。其中,我国南海是世界四大海洋油气资源带之一,其石油储量约为230到300亿吨,号称全球“第二个波斯湾”。近年来，我国能源需求急剧增长,而陆上油气资源处于开采后期,除了增加进口外,必然更加依赖于海洋油气资源的开采。因此,开发深海油气资源对于我国经济发展、能源安全、领土主权有重要意义。

而海洋立管是深海石油生产系统的关键组成部分,它是联系水面平台装置和海底设备的重要通道。因此,准确计算出海洋立管在实际海洋环境中受到的载荷,及其在荷载作用下的动力响应,具有重要的经济价值和社会效益，研究涡激振动问题对工程结构物设计具有实际意义。

在海洋环境中,海流引起的涡激振动(vortex-induced vibration ,viv)是激发立管振动响应的主要因素。当海流流经立管时,会在立管两侧的尾流区产生交替的泻涡。伴随着漩涡的生成和泻放,海洋立管受到横流向及顺流向的脉动水压力，并引起振动。在海流引发交替泄涡导致立管振动的同时,立管振动反过来又会影响海流的尾流结构,进而改变立管上的脉动水压力分布。这种海流-立管相互作用的现象，被称作海洋立管的涡激振动。

2. 研究的基本内容与方案

2.1圆柱绕流的国内外研究现状

1911—1922年，美籍匈牙利力学家冯·卡门在圆柱绕流实验时发现：当恒定来流经过圆柱体时，会在圆柱体后方的尾流中形成涡量相反且交错排列的而双列涡街，形成著名的“卡门涡街”。卡门认为涡街只有当旋涡是反正对称排列，且仅当列的距离对同行列内相邻两漩涡的间隔有一定的比值才稳定，且他将涡系所携带的动量与阻力相联系。20世纪40年代，美国塔科玛峡谷桥（tacoma narrow bridge）风毁事故的惨痛教训，使人们认识到卡门涡街对工程安全的重要性。

现今已经有大量学者对圆柱绕流问题进行了大量的研究，主要通过物理实验和数值模拟方法进行研究。在单桩圆柱绕流方面，研究发现单桩绕流与雷诺数密切先关，随着雷诺数的增加，根据柱后产生漩涡的形态，可以将圆柱绕流庄台分为亚临界、临界、超临界和高临界四种^[2]。tayor研究了表面光滑圆柱绕流的阻力系数随雷诺数的变化以及圆柱展长比变化对阻力系数的影响。f.homann通过研究油绕圆柱流动实验进行拍照，给出了与雷诺数先关的漩涡脱落图像。wu g x, hu z z.^[3]研究了无约束圆柱的粘性流场。杨烁和吴宝山^[4]利用fluent从定常和非定常角度对二维圆柱绕流进行了数值模拟。王亚玲，刘应中^[5]等人利用计算流体力学软件 cfx-4，在定常情况下，对黏性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟，模拟了雷诺数在亚临界区（300re3×10⁵）内的绕流流动和流体的特性，发现阻尼系数比二维模拟时小，结果偏安全。watanabe和kondo的实验表明在即使在均匀流下，当雷诺数较大时，圆柱绕流也会表现出三维特性，所以三维特性的研究是十分必要的。圆柱尾流随雷诺数的变化而发生巨大的变化^[6]。

3. 研究计划与安排

首先，通过阅读大量涡激振动研究文献，探索与总结研究先进的涡激振动的流固耦合理论与计算方法，探讨与分析各类立管流固耦合方法，总结各类方法的应用范围及特点，并进行比较分析。

其次，自主学习ANSYS平台,通过Ansys-workbench平台建立简单流固耦合算例进行验证，为进一步学习打下了良好的基础。针对立管的涡激振动，拟将立管简化为圆柱，假设立管不动，对刚性圆柱绕流进行不同雷诺数的二维数值模拟，在FLUENT中采取合适的网格和时间步长，利用ICEM进行模型建立和网格划分，然后对不同雷诺数范围内的尾涡流场现象进行比较，总结尾涡结构形态；观察不同来流速度下的尾涡流场，并进行分析对比；分别在柱体固定约束与非固定约束情况下，对圆柱绕流的尾涡结构进行比较；拟成功捕抓到不同阶段的尾流涡场现象，在“锁住”阶段主要是两排涡的尾流涡场，而在其他阶段主要是单排涡的形式；在频率比较低的情况表现出“2P”形态的尾流涡场，在频率比较高的情况下表现出“2S”的尾流涡场。

最后，通过数值模拟结果与他人的实验进行对比，验证流固耦合方案的可行性以及网格与边界条件的可行性。

时间	周数	内容	要求
第1-2周	2	查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需专业知识	查阅不少于15篇的相关资料，其中近5年英文文献不少于3篇
第3周	1	确定方案，完成开题报告
第4-7周	4	学习商业软件Ansys
第8-10周	3	学习Ansys流固耦合建模理论及计算方法	探索与总结研究先进的涡激振动的流固耦合理论与计算方法
第11-12周	2	学习数值模拟立管涡激振动方法，并通过Ansys实现流固耦合算例	探讨与分析各类立管流固耦合方法，总结各类方法的应用范围及特点
第13-14周	2	完成毕业论文	按照学校要求完成不少于12000字的毕业论文
第15周	1	准备论文答辩

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1]黄旭东,张海,王雪松等.海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望[j].海洋学研究,2009,27(4):95-101.doi:10.3969/j.issn.1001-909x.2009.04.013.

[2]李强.圆柱群绕流的实验及数值模拟研究[d].浙江大学,2014.