摘 要

随着海洋油气资源的深度开发，油气立管越来越受到关注，立管处在复杂海洋环境下产生共振导致疲劳破坏，从而对经济和环境产生巨大的损失和破坏，其安全问题制约着油气资源的开发利用。本文主要对立管的涡激振动特性进行了研究。

鉴于实验研究方法，受其本身局限性的影响，很难得到较为精确的结果且造价昂贵，而数值模拟的优点是不受人为因素影响，不受模型制作条件的限制，有较好的灵活性和适应性，可以模拟更多的情形，满足工程实际需要。本文基于Ansys Workbench计算软件首先对刚性油气立管的固定圆柱扰流进行了三维数值模拟，得到立管的升阻力系数、运动轨迹和漩涡脱落形式等，验证了数值求解问题的可靠性。

再基于已建模型稍作修改，对结构模型进行模态分析，得出固有频率。采用Fluent作为流场解算器，在外流作用下对立管模型进行了三维流固耦合数值模拟，研究了低雷诺数下的立管振动，明晰了立管的振动特性主要受扰流升力的影响，比较所得数据并推测，随着雷诺数的增大，升力的变化频率逐步接近立管固有频率，并最终导致共振的发生。

本文的研究结果有助于理解立管涡激振动特性并深入了解三维流固耦合模拟。

关键词：油气立管；涡激振动；三维数值模拟；雷诺数；流固耦合

Abstract

With the deep development of marine oil and gas resources, oil and gas riser more and more attention, the legislature in a complex marine environment resonance caused by fatigue damage, which the economy and the environment have a huge loss and damage, the safety of the constraints of oil and gas Resource development and utilization. In this paper, the vortex-induced vibration characteristics of the riser are studied.

In view of the impact of experimental research methods, it is difficult to obtain more accurate results and costly, but the advantages of numerical simulation are not affected by human factors, not limited by the conditions of model production, have better flexibility And adaptability, can simulate more situations to meet the actual needs of the project. Based on the Ansys Workbench calculation software, the three-dimensional numerical simulation of the fixed cylindrical spoiler of the rigid oil and gas riser is carried out. The reliability coefficient of the numerical solution is verified by the rise resistance coefficient, the trajectory and the vortex shedding form of the riser.

And then based on the modified model has been slightly modified, the modal analysis of the structural model to obtain the natural frequency. Using Fluent as the flow field solver, the three-dimensional fluid-solid coupling numerical simulation of the riser model under the effect of outflow was carried out. The vibration of the riser under low Reynolds number was studied, and the vibration characteristics of the riser were mainly affected by disturbance , Compared with the data and speculated that with the Reynolds number increases, the lift frequency gradually close to the natural frequency of the riser, and eventually lead to the occurrence of resonance.

The results of this study are helpful to understand the vortex-induced vibration characteristics of the riser and to understand the three-dimensional fluid-solid coupling simulation.

Key Words：oil and gas riser；vortex-induced vibration；three-dimensional numerical simulation；Reynolds number；fluid-structure coupling

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 海洋油气立管涡激振动的国内外研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 涡激振动原理及数值模拟方法 7

2.1漩涡的形成和脱落 7

2.2 漩涡脱落的形式 9

2.3 涡激振动的相关参数 10

2.3.1流体参数 10

2.3.2结构参数 13

2.4 涡激振动数值模拟方法 15

2.4.1 控制方程 15

2.4.2 湍流模型 16

2.4.3 Ansys Workbench流固耦合的实现 16

2.5 本章小结 17

第3章 三维数值模拟方法验证 18

3.1 计算模型 18

3.2 网格划分 19

3.3 固定圆柱体扰流计算结果分析 20

3.4 三维流固耦合数值模拟方法的验证 21

3.5 本章小结 23

第4章 外流作用下立管的流固耦合特性 24

4.1有限元结构的模态分析 24

4.2 不同雷诺数下耦合数值模拟 25

4.2.1 前处理设置 25

4.2.2 计算结果分析 27

4.3 本章小结 30

第5章 结论及展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 31

参考文献 33

致 谢 36

第1章 绪论

随着社会科学的进步和发展，能源需求日益增大与陆地石油资源开采日渐萎缩的矛盾日渐成为人类社会的主要矛盾之一。对于日渐枯萎的石油资源，大力开发海洋石油资源已经成为各个国家的共识。依据不完全统计，海洋石油资源总量丰富，约占全球石油资源总量的34%，海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，其中已探明的储量约为380亿吨。而在我国300多万km²的海域中，约有360亿吨石油资源量。其中，我国南海是世界上著名的4大海洋油气资源带之一，其石油储量约为230~300亿吨，号称全球“第二个波斯湾”^[1]。而海洋油气立管作为海底资源开采中连接海洋平台和海底设备的重要部件，对立管的研究已经成为工程上的热点问题。

1.1 研究背景与意义

海洋油气的开采措施包括海底钻井、采油及油气输送与储存这几大项。目前常用的深水油气开发平台形式有：深水固定式平台（FP），顺应塔式平台（CT）,张力腿平台（TLP），SPAR平台，FPSO和SEMI-FPS平台等。

但不管海洋油田开发采用何种平台方案，都会用到海洋立管，它是深海石油生产系统的重要组成部分，是连接水面设备和海底设备的重要通道，承担着隔离海水、引导钻具与管线、循环钻井液等重要作用。由图1.1和图1.2不难看出，从浮体结构到海底开采区设备都要有很长的立管来连接，水越深，立管长度就要越长。随着石油开采深度的不断加深，立管长度增加，长径比增大，这就带来了立管刚度的下降，固有频率降低等问题，使得立管更容易发生共振导致疲劳失效。