渦激振動狀態(tài)下的柔性立管水動力特性研究.pdf

1、真實流場中的柔性立管在橫流向與順流向均會發(fā)生渦激振動，兩個方向的渦激振動會相互耦合，進一步引起兩個方向上水動力的耦合，從而使得發(fā)生渦激振動的柔性立管的水動力特別復(fù)雜。當(dāng)前海洋工程界對柔性立管發(fā)生渦激振動時水動力特性的認(rèn)識明顯不足，在海洋立管的設(shè)計中，不得不采用高達10倍以上的安全系數(shù)來確保其結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。但是，隨著油氣開采進一步向更深水域發(fā)展時，僅靠提高設(shè)計安全系數(shù)仍然無法確保立管的安全，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、究渦激振動狀態(tài)下柔性立管的水動力特性越來越重要。
　　本文以揭示渦激振動發(fā)生時柔性立管水動力特性為出發(fā)點，提出了一種可利用柔性立管水池模型試驗識別和研究真實流場中柔性立管發(fā)生渦激振動時水動力特性的方法，繼而根據(jù)此方法開展了不同流場下柔性立管的水動力模型試驗，通過對不同流場下柔性立管水動力的識別和分析以及對立管渦激振動時域預(yù)報方法的探討，論證了此水動力識別方法的可行性和準(zhǔn)確性。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1）對柔性立管渦激振

3、動的基本理論和基本概念進行梳理，總結(jié)了當(dāng)前關(guān)于柔性立管渦激振動水動力特性的研究現(xiàn)狀；
　　2）提出了一種可利用柔性立管水動力模型試驗識別渦激振動發(fā)生時沿立管軸向分布的水動力及水動力系數(shù)的方法，并對此方法的主要理論進行了詳細(xì)介紹和推導(dǎo)；
　　3）在本文提出的水動力識別方法指導(dǎo)下，通過自主開發(fā)的試驗技術(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力模型試驗；對試驗裝置、試驗?zāi)Ｐ?、試驗?nèi)容以及試驗數(shù)據(jù)的基本處理方

4、法進行了詳細(xì)介紹；
　　4）對均勻流和剪切流試驗中立管模型的平均阻力進行了識別分析；探究了本文提出的水動力識別方法用于識別渦激振動狀態(tài)下柔性立管平均阻力的可行性和準(zhǔn)確性；研究了不同流場下平均阻力的分布特性以及渦激振動對平均阻力的放大效應(yīng)。研究結(jié)果顯示：本文的水動力識別方法可準(zhǔn)確識別渦激振動狀態(tài)下柔性立管的平均阻力；渦激振動會放大平均阻力，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)過橫流向渦激

5、振動的主導(dǎo)模態(tài)、主導(dǎo)頻率以及來流速度修正過的Vandiver阻力系數(shù)預(yù)測模型適用于估算高雷諾數(shù)下渦激振動發(fā)生時柔性立管的阻力系數(shù)；
　　5）對均勻流、剪切流以及振蕩流試驗中立管模型的渦激力及渦激力系數(shù)進行了識別和分析；驗證了本文提出的水動力識別方法用于識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迫振蕩試驗結(jié)果的異同。研究結(jié)果顯示：本文提出的水動力識別方法可準(zhǔn)確識別不同流場下柔性

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；柔性立管的激勵力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)不同于由剛性圓柱體強迫振蕩試驗獲得的結(jié)果，其不僅與無因次頻率和幅值有關(guān)，還與渦激振動位移相位角有關(guān)；激勵區(qū)間和阻尼區(qū)間對應(yīng)的無因次頻率不同于圓柱體單向強迫振蕩試驗獲得的結(jié)果；振蕩流下柔性立管“分時”特性的渦激振動響應(yīng)是由渦激力的“分時”特性導(dǎo)致的；
　　6）對均勻流

7、下柔性立管橫流向與順流向渦激振動位移相位角和渦激力相位角進行了探究；研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)順流向和橫流向渦激振動響應(yīng)頻率比為2.0時，渦激振動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位移軌跡和渦激力軌跡隨時間的發(fā)展均保持不變；位移相位角與渦激力相位角基本相同，在順流向渦激振動響應(yīng)的兩相鄰節(jié)點內(nèi)保持不變，而同一節(jié)點兩側(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半經(jīng)驗時域預(yù)報方法，并利用此時域預(yù)報方法對均勻流和剪切流下立管的渦激振動響應(yīng)進行了預(yù)報。研究發(fā)現(xiàn)：基于剛性圓柱體強迫振蕩試驗的時域預(yù)報結(jié)果和頻域預(yù)報結(jié)果基本相同，但異于試驗結(jié)果；而基于本文識別的渦激力系數(shù)的時域預(yù)報結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合。