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。     

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。     

海洋立管非线性耦合振动系统的分段同伦分析

海洋立管是连接海上平台和海底井口的主要传输管道,涡激振动是导致海洋立管产生疲劳损伤的重要因素.通过研究立管涡激振动的非线性耦合振动系统,应用分段同伦分析方法,给出了该非线性振动系统的近似解析解,检验了分段同伦分析方法应用于海洋立管涡激振动的有效性.     

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．     

圆柱的涡激振动估算

本文通过对流体力的分析修正了计算圆柱体涡激振动的相关模型,得到考虑流体阻尼力影响的共振响应解式;经数值计算得到一组圆柱形简单梁的共振响应图线族.按照文中给出的方法步骤,应用该图线族可以比较方便地确定出弹性圆柱体的共振响应峰值.     

并列双柱圆柱体在均匀流场中的涡激振动

讨论了并列双柱圆柱体在均匀流场中的涡激振动。依据已发表的有关该课题的实验与理论资料,提出了一种关于并列双柱圆柱体在均匀流场中涡激振动的理论预报模型。将理论计算值与资料所提供的实验值进行比较后,发现理论值与实验值尚能吻合。为了验证理论预报模型的正确性,作了实验观察,发现理论预报的涡激振动现象与实验中所出现的吻合良好。为了更好地掌握双柱涡激振动的机理,进行了结果分析和讨论。     

大跨度桥梁主梁风雨致涡激振动试验研究

针对风雨联合作用下的大跨桥梁风雨致涡激振动问题,以某一分离式双箱主梁桥梁及其闭口主梁型式桥梁为研究对象,通过在大气边界层风洞中搭建风雨联合作用试验系统,完成风雨联合作用下大跨桥梁节段模型涡激振动试验.试验结果显示:不同雨强下,开口节段模型涡激振动的起振风速及锁定风速基本一致,但最大振动幅值有一定差别.不同雨强下,闭口节段模型随机振动的振动时程有一定差别,且随着风速增大,振动幅值增大.开口节段模型风雨联合作用下的位移幅值大于单一风作用下的位移幅值,最大增量可达1/4.得出结论:降雨增大了桥梁主梁涡激振动幅值;闭口节段模型相对开口节段模型在抵抗涡激振动方面性能更优良.     

基于遗传规划圆柱涡激振动速度反馈控制研究

以二维圆柱为研究对象,基于结构振动模型和尾流振子模型,利用遗传规划(Genetic Programming)算法寻找最优速度反馈控制律,探究了在最优控制规律作用下抑制涡激振动的效果。首先计算了质量比为2.36和7.91下圆柱的振动幅值比,发现共振幅值和锁频区间与实验结果有较好的一致性。然后,通过引入损失函数,利用遗传规划算法计算了在约化速度为7时的最优速度反馈控制规律,计算结果表明:在最优速度反馈控制规律作用下与未受控圆柱相比,振动幅值由0.736降低为0.194,减少了73.6%,显著抑制了圆柱的涡激振动。并且与传统的比例控制规律相比,在具有相同的损失函数值的情况下,遗传规划找到的反馈控制规律能够更有效地抑制涡激振动幅值。     

循环流化床提升管中团聚物颗粒浓度的实验研究

基于FCC和河沙颗粒的局部瞬时颗粒浓度时间序列，研究了循环床上行气固两相流中团聚物的颗粒浓度及其与时均颗粒浓度之间的关系。实验分析揭示出团聚物内部颗粒浓度与当地时均颗粒浓度不仅具有明显的相关性，而且两种浓度在径向上亦具有相同的自相似分布特征，并由此给出了团聚物内部颗粒浓度与当地时均颗粒浓度相互关系的经验关联式，研究结果对描述气固上行两相流的结构形态和建立流动模型有重要意义。     

粗重颗粒在循环床提升管内的局部颗粒浓度分布

为研究颗粒物性对循环床提升管中气固动力学行为的影响 ,以空气 -沙子为气 -固体系 ,采用光纤探头测试了Φ 10 0mm× 10m循环床提升管中的局部颗粒浓度 ,并与FCC颗粒进行了对比。结果表明 ,粗重颗粒 (沙子 )无因次浓度的径向分布及其沿轴向的发展与细颗粒 (FCC)有明显的不同 ,重颗粒无因次浓度的径向分布沿轴向没有明确的相似性 ,环核流动结构也发生变化 ,其环区缩小 ,核心区扩展到边壁处附近。采用间歇指数 (IntermittencyIn dex)对提升管内气 -固混合程度进行的定量描述表明 ,随着床层高度的增加 ,间歇指数逐渐减小 ,径向分布更加均匀 ;在相同Gs1.2 /Gg2 .0 条件下 ,确定截面上间歇指数的径向分布基本一致。     

数学解析法确定冒口尺寸的演进

介绍了基于数学解析法确定冒口尺寸的国内外有代表性的研究成果:有冷速比法、Q参数法、改进Q参数法及周界商法.其中有的方法不仅适用于铸钢件,也适用非铁金属.     

上行气固两相流充分发展段的摩擦压降

为确定气固提升管充分发展段的摩擦压降及其对颗粒浓度测试的影响,提出了充分发展段内气固两相流与管壁间摩擦压力降的计算模型,由此获得充分发展段内真实颗粒浓度的计算公式;同时在两套提升管实验装置上对压力梯度分布和局部颗粒浓度进行了系统测试和对比分析。结果表明,用压差法测试颗粒浓度时摩擦的影响不可忽略,尤其是在气速较高(Ug＞8 m/s）时,表观浓度比实际浓度高出30%～50%;采用建立的模型对表观浓度进行修正,获得的预测值与实际颗粒浓度吻合良好。     

天津海积软土蠕变特性试验研究

通过不排水三轴蠕变试验,对天津海积软土的蠕变特性进行了研究,得出了天津海积软土蠕变特性方程．用灰色系统理论建立了蠕变沉降预测模型GM（1,1）,并利用试验实测数据进行了计算,结果表明：该预测模型具有较好的精度,对指导实际工程进行蠕变沉降预测有积极意义．     

初始各向异性对软土强度与变形的影响试验研究

通过压缩试验、无侧限抗压强度试验以及三轴固结不排水试验,对海积软土初始各向异性影响土体强度与变形进行了试验研究.结果表明:在一维压缩试验中,海积软土垂直方向的压缩变形最小,水平方向的变形最大,而45°斜方向的变形介于两者之间;在三轴压缩试验中,海积软土的应力-应变关系都呈现应变硬化,垂直方向的峰值强度最强,45°斜方向最弱,水平方向的强度介于两者之间.在此基础上,对其进行了机理分析,研究成果对工程实践有一定的指导意义.     

海洋生物活性化合物数据库的初步构建

从海洋生物活性化合物数据库的国内外开发现状、信息来源和采集、数据库的构建和检索方式4个方面进行了分析、研究和总结。将检索出的化合物按结构、活性、来源进行分类,构建了信息详细的专业化海洋生物活性分子数据库。     

应变速率对天津海积软土力学性能的影响

采用WF应力路径三轴仪,对天津滨海海积软土进行了不同围压、不同应变速率的三轴固结不排水剪切试验（CU）,分析了不同应变速率对海积软土试样的应力一应变关系、有效应力及试样破坏形态的影响．结果表明：CU试验应力一应变关系呈硬化特征,剪应力峰值随着应变速率的增大而增大,而孔压变化值则随着应变速率的增大而逐渐减小;不同应变速率的有效应力路径在相同固结压力下基本一致,因而正常固结黏土的有效应力路径具有唯一性;同时,应变速率对总应力强度有所影响,总应力的内摩擦角随着应变速率的增大而增大．     

海洋典型粘性土触变强度恢复特性试验研究

针对我国南海不同区域的海洋粘土,采用落锥试验研究了土体重塑不同时间后的触变恢复特性,分析了土体强度在含水率、塑性指数、灵敏度等多种因素影响下的恢复规律。研究表明:我国南海不同海域粘土均表现出明显的触变恢复特性,且这一特性受土体多种物理因素影响显著;要格外关注灵敏度较高的土体,避免因安装初期加载过度导致破坏;在含水率w=30.2%~43.8%、塑性指数I_p=10.2%~19.7%、液性指数I_L=0.56~1.17、灵敏度S_t=4~7.9这一区间内,土体恢复特性随含水率、塑性指数、液性指数和灵敏度的增大分别呈增大、增大、增大和减小的趋势;土体扰动3 h,1、3、10、30、60 d时,平均恢复到其原状土强度的20.0%、22.4%、25.1%、28.6%、32.6%、35.9%。