海洋深水立管涡激振动实验研究的发展状况

在海洋环境中,涡激振动(VIV)是流体固体藕合作用的结果,也是流体力学和结构力学的融合;但是耦合的作用力会降低立管寿命,立管一旦发生疲劳破坏,原油的泄漏不仅会使工程蒙受损失,还将引发严重的环境污染和二次灾害,因此深海立管的涡激振动在立管设计中是一个需要考虑的重要因素,近几十年里科研人员在此方面做了大量的研究工作。笔者以海洋立管为研究对象,总结了在流体和结构方面国内外学者对海洋立管涡激振动上的研究成果。为更进一步的海洋立管涡激振动研究提供了理论依据。     

海洋立管涡激振动位移响应测试方法及试验研究

海洋立管涡激振动会使立管产生疲劳破坏.实时监测应变并通过应变数据转化为立管的位移,从而可直观、准确地判断海洋立管的状态,预知可能发生破坏的位置并采取应对措施.建立了数学模型,通过理论分析立管的挠度曲率与应变、位移存在的关系,进而拟合立管的挠度曲线.基于挠度曲线的边界条件以及广义最小二乘法确定挠度曲线未知数的求解方法.设计试验方案,搭建试验平台,通过光纤光栅应变传感器及解调仪获得试验数据,求解挠度曲线.并通过试验过程中位移的测量值来验证位移计算值的正确性及可行性,试验结果表明:位移的计算值精度能够满足工程上的要求,该方法可作为检测立管涡激振动的一种方法.     

运用同伦分析法求解一类强非线性耗散振动系统

运用同伦分析理论研究了五次强非线性且含有激励项的耗散Duffing系统,求出了此系统的零阶近似解和一阶近似解,并用数值模拟值与原系统的精确解相比较,证明了所得结果的精确度,说明了此理论适用于一些强非线性系统.     

非线性振动方程的同伦摄动法求解

针对非线性振动方程,基于同伦摄动法给出了一种有效的近似解求法。通过与常见的LindstedtPoincare（L-P）方法以及Krylov方法的比较,表明同伦摄动法更为简单和有效。     

解非线性互余问题的同伦方法

将非线性互余问题化为不动点问题,证明分段光滑同伦曲线对不动点的收敛性,从而使互余问题可用同伦方法求不动点来解决。最后给出了数值例子。     

立管扰流装置Helical Strakes的数值模拟分析

泻涡脱落诱发的涡激振动是海洋立管疲劳破坏的主要诱因,利用Helical Strakes（螺旋侧板）抑制涡激振动对立管的损伤。通过CFD数值模拟软件,对光滑立管和覆盖两种不同螺旋侧板的立管,在不同的雷诺数下进行模拟分析。将得到拖曳力和升力结果与现有的数值和实验结果进行对比,得到相关的拖曳力系数和升力,研究Helical Strakes的相关特性。数值模拟结果表明,螺旋侧板可以影响拖曳力和升力的变化,扰乱流场,很好地抑制漩涡的产生。     

基于灰色关联理论的海洋立管分段风险评估

针对整根立管评定的可行性差的问题,提出了将整根立管进行分段计算、综合评定的方法。通过对海洋立管常见风险因素进行收集整理,建立风险评价模型,采用灰色关联度理论对海洋立管进行分段风险评估。根据各主要风险因素对发生风险概率的关联度,计算出各段立管在各主要风险因素下的失效权重,将所得权重结合立管各区段在多种主要风险因素下的失效关联系数,进一步计算出立管各区段的失效概率。这种评估方法为海洋立管的风险评估提供了一种新的思路,对加强海洋立管各区段管理与维护提供一定依据。     

非线性同伦参数在不可行性探测中的数值分析

以发电机的有功耗量作为目标函数,以发电机功率输出的上下限、节点电压的上下限作为变量型不等式约束条件,以节点潮流方程作为等式约束构成最优潮流的数学模型,运用非线性同伦内点法求解最优潮流问题.对IEEE6、IEEE118节点试验系统的计算表明,其计算结果与运用内点法所得的结果十分接近,同时能够及时探测出不可行情况.     

基于非线性理论的海底管跨涡激共振可靠性研究

考虑波浪水质点与海底管线管跨段振动间的相对运动速度以及波浪和海流的联合作用，对传统的波浪载荷计算方法进行了改进，引入了波浪激励载荷中的二阶平方阻尼项，从而建立了海底管跨的非线性涡激振动方程．同时，基于非线性振动特性，将倍频共振和亚频共振的概念引入管跨的涡激共振失效分析方法中，建立了相应的极限状态方程和管跨涡激共振长度预测公式，并在此基础上提出了管跨的涡激共振失效可靠性分析方法，并通过算例验证了方法的可靠性与适用性．     

Lokta-Volterra生态模型的同伦分析解法

由于Lokta-Volterra生态模型为非线性模型,无法获得解析解.利用同伦分析方法,得到了该模型解的近似展开式.同伦分析方法不同于其他解析近似方法,该方法提供了一个简单途径,确保所得到的级数解收敛,从而可以获得非线性问题足够精度的解析近似.对近似解与数值解进行了比较,结果表明,近似解具有较高的精度,该方法用于生态模型研究是可行的.     

海洋立管系统严重段塞流研究进展

随着海洋石油工业的日益发展,出现了各种各样的立管。由于管道形状和海底复杂地形等因素,经常出现严重段塞流这种特殊的流型,这种特殊的流型会造成设备损坏和产量降低等诸多危害。因此,对海洋立管系统的严重段塞流进行研究有很重要的意义。总结了立管系统严重段塞流的国内外研究现状,包括研究方法、产生机理、特性参数和理论模型等,以期为进一步研究立管系统严重段塞流提供参考。     

运用同伦分析法分析一类Duffing系统

运用基于参数展开的同伦分析理论（PE—HAM）研究了具有五阶非线性项的保守Duffing振子u＋ω^20u＋αu^5=0的响应问题．在进行参数展开时,通过系统频率不同展开式分别求出了此类系统在含有小参数和不要求含有小参数情况下的近似解和近似周期．数值模拟结果说明,所得的解析近似解具有较高的精度,从而说明了同伦分析方法既适用于弱非线性系统也适用于某些强非线性系统．     

高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。基于Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性,满足两者之间液体和弹性体耦合界面间牵引力的平衡条件。本方将Common-Refinement方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明:本文方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的准确性和可靠性。     

海洋立管的局部冲刷实验

海洋平台立管底部的局部冲刷容易造成海底管道的暴露悬空,在波浪和水流作用下产生疲劳破坏,以往的研究多偏重于海底管道水平段局部冲刷,而对立管底部开始的局部冲刷研究较少.针对这些问题,通过实验室物理模型实验,利用波流水槽对波 流共存以及纯波浪条件下海洋平台立管 桩系统基础周围的局部冲刷进行了研究.通过实验观测立管系统周围海底地形的冲淤变化过程,得到冲刷稳定后的地形形态、各冲深监测点的冲深历时曲线及最大冲刷深度.通过对实测数据的分析,探讨了水深、波高、恒定来流流速、立管 桩系统倾斜角度以及床面泥沙粒径等参数对冲刷形态和最大冲刷深度的影响.     

海洋立管焊接接头的断裂参量J积分研究

针对深水海洋立管的特点,采用弹塑性有限元计算方法,对裂纹深度、长度、管道径厚比等因素对海洋立管断裂参量J积分的影响进行了研究,并在此基础上分析不同焊接接头组配在加载过程中的断裂性能。结果表明,焊接接头J积分值与全母材是有所差异的。因此,在海洋立管焊接结构安全评定中,除考虑不同裂纹深度、长度、管道径厚比对海洋立管的影响外,还必须考虑焊缝组配对焊接接头断裂参量的影响。     

海洋立管系统严重段塞流瞬态数值模拟

针对海底油气混输管线中常见的立管系统,采用OLGA 多相流瞬态模拟软件,对立管系统中出现的严重段塞流进行了数值模拟。根据实际情况,建立基于双流体模型的物理模型,结合海底管道实际工况,设置相应边界条件,分析了不同流量下的流态流型、压力、持液率等参数随时间的变化特性。研究结果表明,在不同流量产生的严重段塞流下,立管系统中流态流型、压力、持液率等特性参数具有明显的周期性变化规律,流量对严重段塞流的形成及其流动参数影响很大。研究结果对实际生产和管路结构优化具有指导意义,可为复杂流动现象的预测和控制提供一种新的手段。     

一类有正阻尼的强非线性振动问题的解析解

阐述利用最新提出的同伦分析方法求解有正阻尼的强非线性振动方程,得到了该方程的六阶近似解析解。计算结果表明,本文得到的结果与多尺度法、混合近似法以及数值计算方法得到的结果非常接近,而且同伦近似解提供了一个辅助参数可以方便地调节解的收敛区域。比较结果显示同伦分析法在求解正阻尼的强非线性振动问题时,仍然是一种行之有效的方法。     

同伦内点法解一般非线性规划K-K-T点的较弱条件

文 [1]讨论了用组合同伦内点法求解一般非线性规划的K K T点 .本文在较弱的条件下证明了同伦方法的整体收敛性 ,推广文 [1]中的结果 .