渦激振動(dòng)狀態(tài)下的柔性立管水動(dòng)力特性研究.pdf

1、真實(shí)流場(chǎng)中的柔性立管在橫流向與順流向均會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)，兩個(gè)方向的渦激振動(dòng)會(huì)相互耦合，進(jìn)一步引起兩個(gè)方向上水動(dòng)力的耦合，從而使得發(fā)生渦激振動(dòng)的柔性立管的水動(dòng)力特別復(fù)雜。當(dāng)前海洋工程界對(duì)柔性立管發(fā)生渦激振動(dòng)時(shí)水動(dòng)力特性的認(rèn)識(shí)明顯不足，在海洋立管的設(shè)計(jì)中，不得不采用高達(dá)10倍以上的安全系數(shù)來(lái)確保其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。但是，隨著油氣開采進(jìn)一步向更深水域發(fā)展時(shí)，僅靠提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)仍然無(wú)法確保立管的安全，這極大的制約了油氣開發(fā)向更深水域的發(fā)展。因此研

2、究渦激振動(dòng)狀態(tài)下柔性立管的水動(dòng)力特性越來(lái)越重要。
　　本文以揭示渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)柔性立管水動(dòng)力特性為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種可利用柔性立管水池模型試驗(yàn)識(shí)別和研究真實(shí)流場(chǎng)中柔性立管發(fā)生渦激振動(dòng)時(shí)水動(dòng)力特性的方法，繼而根據(jù)此方法開展了不同流場(chǎng)下柔性立管的水動(dòng)力模型試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同流場(chǎng)下柔性立管水動(dòng)力的識(shí)別和分析以及對(duì)立管渦激振動(dòng)時(shí)域預(yù)報(bào)方法的探討，論證了此水動(dòng)力識(shí)別方法的可行性和準(zhǔn)確性。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1）對(duì)柔性立管渦激振

3、動(dòng)的基本理論和基本概念進(jìn)行梳理，總結(jié)了當(dāng)前關(guān)于柔性立管渦激振動(dòng)水動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀；
　　2）提出了一種可利用柔性立管水動(dòng)力模型試驗(yàn)識(shí)別渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)沿立管軸向分布的水動(dòng)力及水動(dòng)力系數(shù)的方法，并對(duì)此方法的主要理論進(jìn)行了詳細(xì)介紹和推導(dǎo)；
　　3）在本文提出的水動(dòng)力識(shí)別方法指導(dǎo)下，通過(guò)自主開發(fā)的試驗(yàn)技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)相繼開展了均勻流、剪切流和振蕩流下柔性立管的水動(dòng)力模型試驗(yàn)；對(duì)試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、試?yàn)內(nèi)容以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理方

4、法進(jìn)行了詳細(xì)介紹；
　　4）對(duì)均勻流和剪切流試驗(yàn)中立管模型的平均阻力進(jìn)行了識(shí)別分析；探究了本文提出的水動(dòng)力識(shí)別方法用于識(shí)別渦激振動(dòng)狀態(tài)下柔性立管平均阻力的可行性和準(zhǔn)確性；研究了不同流場(chǎng)下平均阻力的分布特性以及渦激振動(dòng)對(duì)平均阻力的放大效應(yīng)。研究結(jié)果顯示：本文的水動(dòng)力識(shí)別方法可準(zhǔn)確識(shí)別渦激振動(dòng)狀態(tài)下柔性立管的平均阻力；渦激振動(dòng)會(huì)放大平均阻力，導(dǎo)致立管在雷諾數(shù)區(qū)間6?103~2.2?105內(nèi)的平均阻力系數(shù)為1.4~2.4；經(jīng)過(guò)橫流向渦激

5、振動(dòng)的主導(dǎo)模態(tài)、主導(dǎo)頻率以及來(lái)流速度修正過(guò)的Vandiver阻力系數(shù)預(yù)測(cè)模型適用于估算高雷諾數(shù)下渦激振動(dòng)發(fā)生時(shí)柔性立管的阻力系數(shù)；
　　5）對(duì)均勻流、剪切流以及振蕩流試驗(yàn)中立管模型的渦激力及渦激力系數(shù)進(jìn)行了識(shí)別和分析；驗(yàn)證了本文提出的水動(dòng)力識(shí)別方法用于識(shí)別和分析立管渦激力及渦激力系數(shù)的可行性及準(zhǔn)確性；揭示了定常流下柔性立管的渦激力與剛性圓柱體單向強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)結(jié)果的異同。研究結(jié)果顯示：本文提出的水動(dòng)力識(shí)別方法可準(zhǔn)確識(shí)別不同流場(chǎng)下柔性

6、立管的渦激力及渦激力系數(shù)；橫流向的能量傳遞系數(shù)在總的能量傳遞系數(shù)中占主導(dǎo)成分，總的能量傳遞系數(shù)與橫流向的系數(shù)沿模型軸向的分布基本一致；柔性立管的激勵(lì)力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)不同于由剛性圓柱體強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)獲得的結(jié)果，其不僅與無(wú)因次頻率和幅值有關(guān)，還與渦激振動(dòng)位移相位角有關(guān)；激勵(lì)區(qū)間和阻尼區(qū)間對(duì)應(yīng)的無(wú)因次頻率不同于圓柱體單向強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)獲得的結(jié)果；振蕩流下柔性立管“分時(shí)”特性的渦激振動(dòng)響應(yīng)是由渦激力的“分時(shí)”特性導(dǎo)致的；
　　6）對(duì)均勻流

7、下柔性立管橫流向與順流向渦激振動(dòng)位移相位角和渦激力相位角進(jìn)行了探究；研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)順流向和橫流向渦激振動(dòng)響應(yīng)頻率比為2.0時(shí)，渦激振動(dòng)的位移軌跡和渦激力軌跡均為“8”字形；均勻流中立管各橫截面處的渦激振動(dòng)位移軌跡互不相同，渦激力軌跡也是如此；而同一橫截面處渦激振動(dòng)位移軌跡和渦激力軌跡隨時(shí)間的發(fā)展均保持不變；位移相位角與渦激力相位角基本相同，在順流向渦激振動(dòng)響應(yīng)的兩相鄰節(jié)點(diǎn)內(nèi)保持不變，而同一節(jié)點(diǎn)兩側(cè)大致相差180度；約化速度4.5~5.25

8、之間，柔性立管的位移相位角與剛性圓柱體自激振蕩的位移相位角存在差異，而約化速度5.25~7.5之間，柔性立管的位移相位角比剛性圓柱體的大45度；
　　7）基于有限元理論，提出了一種柔性立管渦激振動(dòng)半經(jīng)驗(yàn)時(shí)域預(yù)報(bào)方法，并利用此時(shí)域預(yù)報(bào)方法對(duì)均勻流和剪切流下立管的渦激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)。研究發(fā)現(xiàn)：基于剛性圓柱體強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)的時(shí)域預(yù)報(bào)結(jié)果和頻域預(yù)報(bào)結(jié)果基本相同，但異于試驗(yàn)結(jié)果；而基于本文識(shí)別的渦激力系數(shù)的時(shí)域預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。