严重段塞流引起的海洋立管振动响应

基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论,建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型,对数学模型进行求解,研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应。数值模拟过程中,采用欧拉法计算严重段塞流流动参数,利用Galerkin法对立管结构动力学方程进行有限元离散,Newmark-β法求解离散方程。为了提高计算效率和精度,采用了变时间步长逐步积分方案。将数值模拟结果与实验数据进行对比,验证了数学模型和数值方法的准确性。对严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化进行了深入分析。结果表明:立管系统的振动响应、内力变化规律与严重段塞流的周期性特征密切相关;弹性基础可以极大降低管道结构的振动幅度及内力,尤其是下倾管的弯曲内力;上升管的高频振动幅度较大,轴力和弯曲内力变化也较大。严重段塞流引起海洋立管振动响应的分析对海洋立管设计及其支承防护具有重要的指导意义。     

变工况气液段塞流诱导的柔性立管振动响应

柔性立管广泛用于海洋油气输送,因管内气液两相流压力、密度等的时空变化,易激发立管的振动响应。针 对水动力段塞流诱导的柔性立管振动响应问题,在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线 型柔性立管模型振动响应测试,采用非介入高速摄像测试方法同步捕捉了柔性立管模型的振动位移与管内气液两 相的流动特征。通过改变段塞流混合流速（0.8~3.0 m/s）和气液比（1.0~11.0）,剖析了振幅与振频的时空分布、振 动模态切换等振动特性与管内液塞长度、运移速度、流动频率间的内在联系。结果表明：柔性立管模型的振动主要 由一阶模态主导,振动模态随时间发生切换,即存在时间上的模态切换,根据其特征,辨识了三种模态切换形式,对 实验组次进行了分区。不同的模态切换形式与管内的段塞长度、段塞流动频率以及段塞在管内的分布有关。     

管道气液两相严重段塞流的数值模拟与分析

为了研究管道系统严重段塞流的瞬态特性,以下倾管-立管系统为建模对象,建立了气液两相严重段塞流的一维数值模型。该模型基于分层流理论和分相流理论,分别对严重段塞流的四个阶段(液塞形成、液塞流出、液气喷发和液体回流)进行理论建模。模型的仿真结果与文献中的实验数据相对误差在10%以内,验证了该理论模型的有效性。在此基础上,对严重段塞流现象进行了数值仿真,并分析了气液折算速度对严重段塞流瞬态特性的影响。结果表明:下倾管-立管系统严重段塞流现象具有明显的周期特性,并且周期随着气相折算速度的增大而减小;立管底部压力波动幅值随着气相折算速度的增大而增大。研究结果可为管路系统的设计和振动预防提供参考。     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合特性分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了流固耦合特性分析,包括模态分析和动力学分析。模态分析研究了有无流固耦合存在时立管振动模态的变化以及流体边界条件对立管固有频率和阵型的影响;同时,将仿真分析同DNV公式求解的固有频率进行了对比验证。动力学分析研究了单、双向流固耦合振动分析,并将单、双向流固耦合进行了对比分析,同时考虑了立管支承方式、流体边界条件对立管振动的影响,提出了立管减振措施。分析结果对海洋立管的优化设计和运行的可靠性提供了重要的理论意义。     

考虑刚体转动的钢悬链线立管出平面运动分析

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展, 钢悬链线立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。该文在钢悬链线立管动力学模型研究中提出一种新模型:SCR刚体转动模型, 该模型基于SCR悬垂段大曲率的考虑, 假定立管为绕悬挂点与触地点连线形成的转动轴的刚体转动系统, 并将该转动效应以惯性力和水动力阻尼的形式与立管弯曲振动耦合, 进行立管的出平面运动分析。数值模拟算例表明, 刚体转动效应对钢悬链线立管的动力响应具有较大影响, 为立管动力分析中不可忽略的运动分量。     

混输海管严重段塞流的控制

当前我国海上油气开发进一步向深海领域发展,海底混输管线由于距离长,地形起伏变化和立管系统,容易引发严重段塞流现象。在严重段塞流工况下,管线的流动参数均表现出周期性变化,将对管道系统和管道下游生产设备的正常生产工作造成极大危害。文章针对某海底混输管道因低流量和立管系统而存在严重段塞流现象,描述了严重段塞流周期的四个阶段,并采用OLGA软件建立了严重段塞流控制模型,进行PID控制研究。结果表明,通过在立管系统顶部加装节流控制阀,设置控制参数,自动反馈管道入口压力并调节阀门开度,能够有效控制严重段塞流。与传统控制方式相比,更显经济和有效。     

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。     

不同流场下含内流立管涡激振动响应特性及Coriolis力效应研究EI北大核心CSCD

细长结构物在海洋来流作用下会发生涡激振动(vortex-induced vibration, VIV),涡激振动是海洋立管疲劳损伤的主要诱因之一。立管实际工作过程中内部输送油气,产生惯性力、科氏力(Coriolis力)和离心力,使得立管的动力响应变得更为复杂。基于含内流立管涡激振动响应时域预报模型,分别计算了在均匀流和剪切流下含内流立管涡激振动响应,并分析了机理较为复杂的科氏力作用。结果表明:均匀外流下内流会降低立管的固有频率,增大响应幅值;剪切外流下内流会激发出更高阶的模态响应。均匀外流下,科氏力在一定区域内固定做正功或负功,分别引起均方根位移的增大或减小;剪切外流下,科氏力使得立管顶部区域均方根位移升高,中部区域均方根位移降低。内流速度越大,科氏力效应越显著。     

参数激励下深海立管动力特性研究

针对参数激励下深海立管的水平动力响应及参量不稳定性进行研究。随着海洋油气资源勘探开采往深海进发,立管结构与以往相比起到更为关键的作用,并面临着众多的挑战。特别是当立管系统参数处于不稳定区域时,立管结构易发生参量共振,导致立管破坏,造成环境污染及经济损失。深海立管结构动力特性较为复杂,首先建立了深海立管的结构动力学方程,然后采用富洛开理论分析了立管含阻尼与不含非线性阻尼的参量稳定性,计算了立管结构四个典型工况下的水平动力响应。系统方程的求解考虑了模态之间的耦合作用,探讨了参数激励频率与平台振动幅度之间的关系,最后,着重分析了阻尼变化对系统参量稳定区域的影响,研究表明系统阻尼能够有效缩减参量不稳定性的区域,并对深海立管结构设计提出有益的建议。     

基于LES的直管流致振动分析

基于CFX 的LES 模拟了直管内完全发展的湍流, 通过log-wake 法则验证了大涡计算的准确性。利用CCL+APDL+MATLAB 语言编制了流固耦合插值算法, 该算法可对流体载荷进行扩展, 具有插值精度高、计算效率高等特点, 而且能同时考虑流体脉动压强和剪切力作用下结构的振动响应。计算表明:对于光滑直管流致振动问题, 振源主要来自流体的脉动压强, 而流体剪切力可基本忽略。最后, 总结了管内流速与流体脉动压强、结构响应的关系, 脉动压强和振动加速度与速度近似成抛物线规律, 可为非嵌入式的流量传感器的研究提供参考和依据。     

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。     

南海内孤立波作用下顶张力立管极值响应研究

内孤立波能够引起强剪切流和巨大的冲击荷载,对海洋平台和海洋立管等海上结构物会构成危险,而关于内孤立波对海洋立管作用的研究很少。本文根据描述内孤立波的KdV-mKdV方程,结合改进的Morison公式,采用有限单元法在时域内对内孤立波作用下顶张力立管的极值响应进行了数值模拟,并就内波振幅、立管内流、顶张力、弹性模量和壁厚的变化对极值响应的影响进行了探讨。结果表明,内孤立波会引起立管较大的极值响应,在立管的分析计算中应该加以考虑。     

往复式压缩机管道系统振动分析与控制

针对牙哈作业区中压机组排气管系发生剧烈振动的问题,利用西安交通大学研究开发的管道振动分析软件包PAP,建立管道系统的有效的力学模型,对排气管系的机械固有频率、管道内气体系统固有频率及气流脉动值进行分析计算找到了产生振动的根源,根据分析计算提出了有效解决方案,使管道系统的振动得到了大幅降低。     

Recent progress on the discrete element method simulations for powder transport systems: A review

Powder transport systems are ubiquitous in various industries, where they can encounter single powder flow, two-phase flow with solids carried by gas or liquid, and gas–solid–liquid three-phase flow. System geometry, operating conditions, and particle properties have significant impacts on the flow behavior, making it difficult to achieve good transportation of granular materials. Compared to experimental trials and theoretical studies, the numerical approach provides unparalleled advantages over the investigation and prediction of detailed flow behavior, of which the discrete element method (DEM) can precisely capture complex particle-scale information and attract a plethora of research interests. This is the first study to review recent progress in the DEM and coupled DEM with computational fluid dynamics for extensive powder transport systems, including single-particle, gas–solid/solid–liquid, and gas–solid–liquid flows. Some important aspects (i.e., powder electrification during pneumatic conveying, pipe bend erosion, non-spherical particle transport) that have not been well summarized previously are given special attention, as is the application in some new-rising fields (ocean mining, hydraulic fracturing, and gas/oil production). Studies involving important large-scale computation methods, such as the coarse grained DEM, graphical processing unit-based technique, and periodic boundary condition, are also introduced to provide insight for industrial application. This review study conducts a comprehensive survey of the DEM studies in powder transport systems.     

海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究

以FrancisBiolley改进的vanderPol尾流振子模型为基础,考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立了海洋立管涡激振动微分方程,用Hermit插值函数对立管微分方程进行离散,并用Miner理论对立管的疲劳寿命进行分析,通过编程和实例计算,分析了管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。结果表明,当管内流体流速变化使立管的固有频率接近漩涡脱落频率时,立管涡激振动响应将会增大,疲劳寿命将会显著减少。     

深水隔水管-测试管柱系统涡激振动实验研究

在深水测试作业中,隔水管和测试管柱形成双层管柱结构,其在海流作用下发生耦合振动,存在安全隐患.为了研究海流流速对隔水管-测试管柱系统振动的影响,搭建了隔水管-测试管柱系统涡激振动的相似实验装置,开展在不同流速下隔水管-测试管柱系统涡激振动实验.实验中用应变片采集数据,用模态分析法处理实验数据,分析隔水管和测试管柱在横向...     

生产井储层流量在线监测装置研究

研制了一套生产井储层流量在线监测装置。该装置利用超声多普勒频差测量油、气、水的总流量,采用对环境无安全隐患的双能级X射线测量油、气、水的分相含率,采用电导式传感器实现高含水率情况下含水率的快速测量。在室内三相流实验系统上进行了实验,油、水流量的测量误差均小于±7%,气流量的测量误差小于±14%。     

高压气井完井管柱系统的轴向流固耦合振动研究

目前针对石油完井管柱的研究没有考虑瞬变流诱发的管柱运动,而实际的管柱与管内流体存在相互影响、相互作用。对完井管柱系统流固耦合振动响应进行了初步分析与探索,给出了适用于气井完井管柱流固耦合分析的数学模型,提供了采用特征线法对耦合模型进行解耦以及采用插值方法进行数值求解的具体过程,并以现场数据为例,预测分析了天然气不稳定流动引起的流体压力、管柱应力、管柱振动速度的耦合响应过程。研究结果表明：天然气不稳定流动使管柱处于交变应力状态,并诱发管柱往复运动,这将加剧完井管柱结构的疲劳破坏与磨损破坏。该结果对预防完井管柱先期实效有实际工程意义