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。     

海洋立管两自由度振动的涡激损伤分析

将随机振动理论中的虚拟激励法引入到海洋立管涡激振动计算中,建立了相应的数值方法,编制计算程序实现了海洋立管在流向与横向两个自由度上的随机振动响应分析。对横向振动进行了实验模型计算,通过与实验对比,检验了将虚拟激励法应用于立管涡激振动的可行性;并记录了此方法的计算时间,验证了此方法的快速性。应用P-M准则,对响应进行分析得到立管的年损伤率,实现了深海立管的疲劳损伤预报。文章的分析方法可为海洋立管涡激振动响应计算和工程设计提供一定的参考作用。     

平台运动与管内流动联合作用下悬垂立管动力响应特性研究

悬垂立管因其经济性被广泛应用在深海油气开发中。悬垂立管在顶端平台运动和内流共同作用下,在顺流向(IL向)会产生动力响应,并与周围流体间形成相对振荡来流。这种相对振荡来流极有可能诱发悬垂立管产生横流向(CF向)的涡激振动(Vortex-induced Vibration,VIV)。为了研究悬垂立管在平台运动和内流联合作用下悬垂立管涡激振动响应特性,开展了悬垂立管模型试验。通过试验和数值模拟的方法,分析了IL向应变、流速、KC数、泻涡频率等分布规律。结果表明:大管径悬垂立管在振荡流场和内流共同作用下,可以产生涡激振动。该试验内流速度区间下,内流作用对于悬垂立管固有频率,KC数和泻涡频率幅值分布,以及涡激振动影响不大。顶部平台运动诱发的涡激振动具有不稳定性。     

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。     

深海立管顺流与横流耦合涡激振动中的内流效应分析EI北大核心CSCD

深海立管因长径比大幅增加导致柔性增强、内流效应凸显,其在顺流和横流耦合涡激振动中的内流效应尚未得到很好理解。采用半经验时域涡激振动水动力模型,建立深海立管在均匀洋流下的横向和纵向耦合振动方程,并利用有限元法求解,探究不同内流速度、内流密度和洋流下立管在顺流和横流耦合涡激振动中的内流效应。研究发现,当洋流速度和内流密度一定时:①内流效应可使系统固有频率降低,因此随着内流速度增加,顺流和横流涡激主导频率可能脱离激励区,主导模态转移到高阶,同时主导频率发生阶跃增加;②立管横向位移均方根最大值是增加还是减少取决于横向涡激主导频率是接近还是远离涡脱频率;③当横流向涡激振动主导模态不变时,由于内流效应可以降低系统刚度,顺流向的静态位移随着内流速度的增加而逐步增加,当横流向主导模态转移至高阶时,顺流向的拖曳力系数会发生突然减少导致静态位移呈现阶跃性下降;④内流效应对顺流向振动有着不可忽略的影响。立管顺流向振动响应是内流效应、拖曳力(受横流向涡激响应影响)和顺流向涡激流体力联合作用的结果。     

串列圆柱体尾流、尾涡耦合振动试验研究

基于模型试验方法设计的试验装置能抑制上游立管涡旋产生,研究不同工况时上游立管对下游立管影响。分别对上游立管部产生涡激振动与产生涡激振动两种试验模型进行不同流速、不同间距条件的流致振动试验,通过观察涡旋脱落、测量模型振动分析上游立管有无抑涡设备及上游立管对下游立管横向振动影响。研究表明,上游立管对下游立管振动产生影响,不同于孤立单管。上游无抑涡设备时下游立管的横向振动随立管间距先增大后减小;有抑涡设备时上游立管横向振动在某倍管径后稳定在某定值基本不变。     

考虑轴向张力时变效应的圆柱体涡激振动响应特性研究

借助时域流体力分解模型,开展时变轴向张力与涡激振动联合激励下圆柱体动力响应特性研究。采用某2.552 m小尺度立管模型试验结果验证该方法在顶张力恒定和时变条件下预报结构响应的有效性。针对另一尺度较大的38 m圆柱体模型,设计28个张力时变工况以研究时变张力幅值和频率对涡激振动响应的影响规律。张力时变工况中,结构动力响应呈现振幅调制、滞后、频率转换及多频响应叠加、模态阶跃等不同于张力恒定工况的新特征。当ω_T=2ω_(CT)时,结构会发生强烈的Mathieu型共振。     

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     

均匀流下柔性立管涡激振动响应及涡激力载荷特性研究

采用模型试验的方法研究了均匀流下柔性立管的涡激振动(VIV)响应特性及涡激力载荷特性。对均匀流场中柔性立管的VIV响应特性进行了分析,而后通过欧拉-伯努利梁动态响应控制方程和最小二乘法求取了柔性立管顺流向(IL)和横流向(CF)的涡激力系数。研究结果表明:均匀流下柔性立管的VIV为位移和主导频率不随时间变化的稳态响应,顺流向涡激振动的主导频率为横流向的2倍;柔性立管的激励系数与强迫振动试验获得的系数不一致,无因次频率处于激励区间的激励系数存在负值,激励系数不仅和无因次频率及无因次振幅相关,还与CFIL方向位移相位角相关;在无因次频率0.13~0.22时,横流向的附加质量系数在1.5~3.0振荡变化;而顺流向的附加质量系数在无因次频率在0.26~0.42内从-1.0迅速增大到1.2后基本保持不变。     

考虑大变形的大柔性立管涡激振动模型

在总结深海大柔性立管涡激振动研究基础上,提出考虑大变形的大柔性立管涡激振动数学模型,开发出相应的计算程序。在验证新模型计算程序可靠的基础上,分别在雷诺数Re=6300、Re= 情况下研究深水顶张式立管涡激振动特征。结果表明,低雷诺数时立管涡激振动以低阶单模态振动为主;随雷诺数的增大,立管涡激振动出现多模态参与振动及涡激振动非完全对称大变形现象。考虑大变形的大柔性立管涡激振动数学模型可用于深水、极深水立管系统涡激振动响应分析预测。     

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。     

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。     

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...     

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。     

深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法

针对深海顶端张紧式立管,基于刚性圆柱体顺流方向受迫振荡实验的水动力信息,采用有限元方法和能量平衡原理,建立了立管顺流涡激振动幅值响应的分析模型。该模型计及了立管横流方向涡激振动对顺流升力放大效应,根据激发力来源不同,分无量纲频率响应区间计算幅值并进行加权模态叠加。预报结果与Chaplin阶梯状来流涡激振动实验测量数据对比,吻合程度较好。     

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。     

钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,钢悬链式立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管,涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题。本文运用柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR,并根据本文提出的钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型,研究立管尤其是触地点处的涡激振动特性,算例表明,考虑流固耦合的两向涡激振动模型能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动,可进行均匀流场中涡激振动的研究分析;钢悬链式立管触地点处的涡激振动响应较大且复杂,应作为SCR涡激振动研究的关键点。     

张紧器-高压隔水管耦合系统横向振动特性研究

为了准确分析张紧器-高压隔水管耦合动力学特性，考虑平台漂移以及张紧器、海水阻尼等影响，基于动力学基本原理建立深水钻井工况下张紧器-高压隔水管横向振动力学仿真模型，并在MATLAB中利用有限差分法进行离散求解，分析了管内高压流体、张紧器耦合作用、海流流速、平台漂移量、张紧器张力比等因素对高压隔水管和常规隔水管横向振动的影响。仿真结果表明：在管内高压流体、张紧器耦合作用的影响下，高压隔水管的横向振动位移减小、应力增大；随着海流流速的增大，隔水管的横向振动位移增大，位于海面附近的隔水管的横向振动应力增大，隔水管底部的横向振动应力基本不受海流流速的影响；随着平台漂移量的增大，隔水管的横向振动位移增大，且越靠近海面变化越明显，但横向振动应力基本保持不变；随着张紧器张力比的增大，隔水管横向振动位移减小、应力增大，且对于常规隔水管，易产生应力集中。研究结果可为深水钻井工况下张紧器-高压隔水管的耦合振动特性分析提供理论依据。     

矩形钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

某大跨度矩形钢箱梁铁路斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括减小栏杆透风率、增设裙板、导流板以及三角形风嘴。试验结果表明,除三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振外,其他气动措施抑制涡振的作用不明显。在此基础上,提出了带平台的三角形下行风嘴的制振措施。试验结果表明,该措施能够有效抑制涡振,继而通过1∶25大比例尺节段模型风洞试验对该措施的有效性进行了验证。采用计算流体动力学(CFD)的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究。试验结果表明,带平台的三角形下行风嘴能够同时降低主梁上、下表面的旋涡尺寸,并有效减小主梁受到的非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果。该研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考。