海洋立管渦激振動頻域和時域預(yù)報方法研究.pdf

1、隨著海洋石油開采不斷向深海發(fā)展,立管的安全性對于石油工業(yè)的發(fā)展以及海洋環(huán)境的維護(hù)至關(guān)重要。洋流中立管兩側(cè)交替泄渦引起的渦激振動現(xiàn)象是立管疲勞損傷的主要因素,嚴(yán)重威脅著立管的安全。因此,準(zhǔn)確的估算立管在實(shí)際海洋環(huán)境中的渦激載荷及動力響應(yīng),不斷優(yōu)化立管的結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是海洋工程領(lǐng)域中的重要課題。
　　本文首先開展了系列海洋立管模型實(shí)驗(yàn),通過高雷諾數(shù)下剛性圓柱體強(qiáng)迫振蕩實(shí)驗(yàn)研究,為頻域和時域預(yù)報模型提供高雷諾數(shù)升力系數(shù)數(shù)據(jù)庫,提高實(shí)尺度立

2、管渦激振動響應(yīng)預(yù)報精度;同時,通過柔性立管在均勻流和剪切流下自激振蕩實(shí)驗(yàn),研究立管主導(dǎo)模態(tài)的時域特性;然后利用頻域方法對立管模型渦激振動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報、并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,探究頻域方法的適用性和局限性;最后本文提出了一種半經(jīng)驗(yàn)性的時域預(yù)報方法,期望解決立管遇到的變軸向力、立管-土壤耦合等非線性問題,并將時域預(yù)報結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。論文內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　1.對均勻來流下剛性圓柱體做不同幅值和頻率強(qiáng)迫振蕩時的水動力

3、特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了升力系數(shù)、阻力系數(shù)和相位角等與無因次振蕩頻率、振幅之間的關(guān)系曲線,從而為頻域和時域預(yù)報模型提供高雷諾數(shù)升力系數(shù)數(shù)據(jù)庫,提高實(shí)尺度立管渦激振動響應(yīng)預(yù)報精度;并通過對比本試驗(yàn)數(shù)據(jù)與低雷諾數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了在亞臨界區(qū)域雷諾數(shù)對渦激振動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),在亞臨界區(qū)域,雷諾數(shù)對渦激振動特性的影響很小,因此用低雷諾數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)報實(shí)際海洋環(huán)境下的立管渦激振動是合理的,但只限于實(shí)際海洋環(huán)境的雷諾數(shù)處于亞臨界區(qū)域的情況。

4、r>　　2.通過拖曳試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了立管模型在均勻流和剪切流下的渦激振動響應(yīng)情況,分別利用模態(tài)疊加法和小波方法對兩種流場下立管在橫向和流向上的幅值響應(yīng)特性和主導(dǎo)頻率的時域響應(yīng)特性進(jìn)行了分析;此外,本文還利用逆有限元方法將柔性立管位移響應(yīng)作為輸入條件計算出了附加質(zhì)量系數(shù)在立管上的分布情況,期望能夠?qū)︻l域和時域經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈郊淤|(zhì)量系數(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象,對于均勻流工況,雖然流向上的主導(dǎo)模態(tài)對應(yīng)的固有頻率并不是橫向

5、上2倍,但是兩個方向上的鎖定頻率卻總是呈2倍關(guān)系,原因可能在于流向和橫向上的附加質(zhì)量系數(shù)能夠自己調(diào)整、直至兩個方向上的主導(dǎo)模態(tài)對應(yīng)的固有頻率正好為2倍關(guān)系;此外,無論在均勻流還是在剪切流工況下,均發(fā)現(xiàn)了主導(dǎo)模態(tài)的“間歇”特性,在剪切流中該性質(zhì)則更加明顯,對于這種工況,頻域方法已經(jīng)基本不再適用。
　　3.對頻域理論預(yù)報過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,并利用頻域方法對均勻流和剪切流工況下的柔性立管渦激振動進(jìn)行了預(yù)報。與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),對于

6、剪切流下單模態(tài)渦激振動,頻域方法十分適用,預(yù)報準(zhǔn)確度很高;但是對于均勻流工況和剪切流下多頻耦合工況,頻域理論預(yù)報結(jié)果比較差。此外,本文還通過頻域數(shù)值計算方法研究發(fā)現(xiàn),軸向預(yù)張力對立管渦激振動的模態(tài)和幅值都會產(chǎn)生較大的影響,從而可以推斷出渦激振動導(dǎo)致的軸向力變化會進(jìn)行反饋、對渦激振動響應(yīng)又產(chǎn)生影響,而且影響極有可能不可忽略;因此,對于剪切流單模態(tài)渦激振動宜采用頻域方法,對于均勻流、剪切流多模態(tài)以及考慮變軸向力等非線性因素時,則需要研究新的