带浮力块立管的横流-顺流双向涡激振动响应研究

布置浮力块是降低深海立管对顶张力的需求以及减小涡激振动疲劳损伤的重要途径,对带有浮力块的立管涡激振动响应展开研究,为理论及实际工程应用提供一定参考。基于刚性圆柱体双向强迫振荡试验数据及能量守恒原理,建立了布置有浮力块的顶张式立管双向涡激振动响应频域预报模型,研究不同浮力块覆盖率对立管涡激振动响应的影响。从抑制涡激振动疲劳损伤角度出发,进行浮力块布置方案优化研究。结果表明,浮力块交错分布可有效降低立管的疲劳损伤,而浮力块全覆盖将增加立管的疲劳损伤。对立管进行浮力块布置时,应使立管涡激振动由立管和浮力块共同控制,以减少振动发生并降低疲劳损伤;亦可使立管涡激由浮力块单独控制,以降低响应模态阶次。同时,为避免产生过大的位移响应,应降低高流速区浮力块的覆盖率以控制结构的能量输入。     

内输多相流与绕流耦合作用下立管非线性振动EI北大核心CSCD

对内输多相流立管在内流与外部绕流耦合作用下的振动响应进行了分析。建立了内部多相流-立管-外部绕流的耦合方程,并采用广义积分变换法(GITT)将偏微分方程转化为常微分方程进行求解。分析得到立管内两相流会引起立管自然频率的降低,管内流速越高,立管越长,两相流作用越明显;立管在内流和外部绕流共同作用下,管内含气量的增加,使立管发生涡激振动的频率降低,振动幅值增加;管内两相流的作用会引起立管在较小的外部流速下发生共振并且会诱发立管发生更高一阶模态的振动;外部绕流流速越高,管内两相流作用越小。     

内输多相流与绕流耦合作用下立管非线性振动

对内输多相流立管在内流与外部绕流耦合作用下的振动响应进行了分析。建立了内部多相流-立管-外部绕流的耦合方程,并采用广义积分变换法(GITT)将偏微分方程转化为常微分方程进行求解。分析得到立管内两相流会引起立管自然频率的降低,管内流速越高,立管越长,两相流作用越明显;立管在内流和外部绕流共同作用下,管内含气量的增加,使立管发生涡激振动的频率降低,振动幅值增加;管内两相流的作用会引起立管在较小的外部流速下发生共振并且会诱发立管发生更高一阶模态的振动;外部绕流流速越高,管内两相流作用越小。     

钢悬链线立管振动响应影响因素分析

海洋立管内部一般有高压的油或气通过,这将对立管的振动响应产生较大的影响。首先研究SCR管内流体的流速对结构固有频率的影响,结果表明：立管的固有频率随着管内流体流动速度的增加而降低,应在设计时予以足够重视。另外又分析悬链线立管张力随水深的变化规律,计算考虑变张力的立管固有频率,比较分析弯曲刚度对固有频率的影响。结果表明：弯曲刚度对前10阶频率影响不大。因此,在计算低模态的涡激振动时,可以忽略弯曲刚度的影响。     

深海立管涡激共振疲劳寿命简化计算方法

针对深海顶端张紧式立管固有的特点,采用解析与经验公式相结合的方法建立了海洋立管涡激振动下疲劳寿命的简化预报模型,该模型能充分计及轴向张力对振型的变化以及对疲劳寿命的影响,通过实例计算指出了深海立管涡激振动诱发疲劳破坏的危险区域,并讨论了流速对疲劳寿命的影响。该模型形式简洁、计算量少,适合对深海立管等细长挠性受拉构件的疲劳寿命进行初步校核计算。     

深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

带螺旋侧板立管两向涡激振动的试验研究

为了研究螺旋侧板对立管涡激振动的抑制作用,采用模型试验的方法对光滑立管以及3组带程螺旋侧板的立管在不同雷诺数下进行了两向涡激振动试验研究,比较分析了光滑立管与带螺旋侧板立管的两向涡激振动响应差异,同时还研究了螺旋侧板导程对立管两向涡激振动的影响。采用示踪方法对4组立管模型涡激振动时的尾流进行了观测。研究结果表明:螺旋侧板能扰乱立管尾流的涡旋泄放,能有效抑制立管横流向的振动响应,同光滑立管相比,带螺旋侧板立管的横流向振动响应减小幅度可达70%左右,但顺流向的振动响应有所增加;9D导程的螺旋侧板对立管的涡激振动抑制效果最好;同带螺旋侧板的3组立管相比,光滑立管的斯托哈尔数在各雷诺数情况下普遍要大一些。     

线性剪切流中深海立管顺流涡激振动响应及疲劳损伤研究

采用圆柱体顺流受迫振荡试验数据,并引入顺流流体力放大因子,建立考虑横流对顺流响应影响的深海立管顺流涡激振动预报模型。该模型假定对应顺流涡激振动两个不稳定区的涡脱落模式相互独立,因此允许对应于不同不稳定区的两个模态能量输入区相互叠加。运用建立的涡激振动预报模型对HanØtangen试验模型进行分析,并与试验结果的位移均方根和主要控制模态进行了比较,结果均吻合较好。采用S-N方法,对顺流涡激振动诱发的深海立管疲劳损伤进行分析,研究了能量比截断值、顶端张紧力和流速分布对疲劳损伤的影响,得到一些有意义的结论。     

基于小波变换的顶张力立管涡激振动规律实验研究

为研究顶张力立管在海流作用下的涡激振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验中立管竖直固定于实验支架上,外部承受不同速度的流体作用,上端施加变化的顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换方法对实验数据进行时间频域分析,得到立管涡激振动频率和振动幅值以及来流向与横向的耦合振动规律,考察顶张力变化对立管自振频率以及涡激振动的影响。     

计及附加质量系数变化效应的立管涡激振动时域响应研究

针对海洋立管涡激振动问题提出了一套时域预报数值方法,引入附加质量单元,能够计及附加质量系数变化效应对立管模态分析及涡激振动预报的影响。基于上述方法对均匀流工况以及线性剪切流工况下立管模型的涡激振动响应进行分析,并与相应试验结果的均方根位移及曲率、应变及位移响应时历曲线以及响应幅值谱进行了对比。结果表明,本文模型能够有效预报海洋立管涡激振动响应,且与传统数值模型相比,本文模型预报结果与试验数据更为吻合,可以较好地体现附加质量系数变化效应对涡激振动预报较为明显的影响。     

考虑附属管的实尺寸钻井隔水管系统涡激振动二维数值模拟研究

实际钻井隔水管通常含6根附属管线,近期研究表明,实际隔水管外挂的附属管线对主管有一定的流动控制效果,它是否有涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)抑制作用亟待研究,针对这一问题开展数值模拟研究。基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程,结合k-ω湍流模型,采用二次开发的嵌入多圆柱运动求解模块的OpenFOAM求解器,对不可压缩流体进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)求解,再耦合结构动力学模型,进行流固耦合求解。研究了亚临界区雷诺数为20000~85000、典型约化速度为3~12、来流攻角为0°~330°的实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动响应。结果表明,附属管对钻井隔水管整体的涡激振动具有抑制作用,抑制效果与来流攻角和约化速度密切相关,当来流攻角为210°和330°时抑制效果最好。隔水管系统的横流向涡激振动较为剧烈时功率谱有峰值较大的唯一主频,此时主频接近于隔水管系统的固有频率。实尺寸钻井隔水管系统的涡激振动运动轨迹有多种形式,如雨滴形、倾斜倒立雨滴形、倾斜非对称“8”字形和近似椭圆形等。     

非均匀来流下深海立管涡激振动响应研究

针对顶端张紧式深海立管的特点，采用简化后的振动模型，结合刚性圆柱体自激振荡与受追振荡实验数据，建立了深海立管在非均匀来流下涡激振动响应的简化分析模型。各阶模态的响应位移通过平衡涡激锁定区域内柱体的输入能量与非锁定区内流体阻尼的耗散能量计算得到。该模型能充分体现涡激振动现象中频锁范围、附加质量以及非线性流体阻尼等本质特点，且形式简洁，计算方便。通过与实验结果的对比显示，该模型是可行的。     

基于频域法的深水钻井隔水管波激疲劳分析

Wave-loading fatigue failure is one of main failure modes of deepwater drilling riser. Wave-loading fatigue analysis of riser provides guidance for fatigue design and management of riser in order to increase its service life. Methods for analyzing wave induced vibration and fatigue were established in frequency domain. Solver for riser fatigue calculation was developed based on MATLAB software. Wave-loading fatigue of the riser system in the South China Sea was calculated in frequency domain and compared with calculated fatigue based on time domain method. The results show that dynamic analysis of riser in frequency domain reaches convergence after several iteration steps. Compared with time domain method, frequency domain method enhances computation efficiency greatly. The response of riser system is a wide-band process so rainflow correction coefficient should be used in calculating riser fatigue. The wave-loading fatigue damage of riser in frequency domain is almost same with that in time domain. Riser fatigue analysis method proposed in this paper can be used for inertial fatigue analysis.     

采用改进尾流振子模型的柔性海洋立管的涡激振动响应分析

建立了柔性杆件在非均匀流作用下的涡激振动响应预测模型,考虑了涡激振动锁频阶段流体附加质量的变化,以及振动响应和来流简缩速度的非线性关系。该模型通过经验公式结合迭代求解的方式,计算方便、速度快,避免了数值计算(CFD)的繁琐,较为适合于海洋工程实际应用。与试验和数值结果的比较表明采用该文提出的计算模型,可以更合理、准确地给出结构涡激振动响应。最后,结合实际平台参数,进行了柔性立管在非均匀流场的作用下的涡激振动响应分析,并研究了立管的预张力、流场分布等参数的影响。分析结果表明:随着立管张力和流场分布的改变,各阶模态锁频区域发生了变化,从而改变了结构的总体响应     

钢悬链线输流立管顶部浮体激励非线性响应研究

钢悬链线立管在上部附体激励作用下的动力响应在立管的性能化设计中是非常重要的。本文作者考虑钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨了弯曲刚度的存在、内流流动和外部流体的非线性作用力对立管受浮体激励顺流向动力响应的影响。     

海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正

对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究,试验结果表明:当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时,作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力,而是具有一定带宽的窄带随机扰力。因此,管道的涡激振动响应也是一个随机过程。当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时,管道的涡激振动响应逼近简谐振动。试验结果也表明:作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数,也是圆柱体固有频率的函数。     

TBM液压管道频谱特性分析和结构优化

考虑到全断面硬岩推进机(TBM)掘进过程中轴向基础振动对流体流速和压力波动的影响,运用输流管道流固耦合轴向运动4-方程模型,分析基础振动的影响,建立轴向基础振动下的TBM液压管道轴向耦合振动方程组,并用直接解法在频域内对其进行求解,再运用MATLAB软件对管道出口处流速和压力的频域响应特性进行仿真计算,随之分析基础振动和不同结构参数对流体频域响应的影响规律。同时,为减弱基础振动对流体出口参数的影响,运用正交实验法对管道进行结构优化,优化后的管道系统流速的频域幅值整体上减小了48.61%,从而在一定程度上抑制了因基础振动带来的流体波动。