浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

深海悬链线立管涡激疲劳损伤研究

讨论海洋平台钢质悬链线式立管SCR(Steel Catenary Riser)的涡激疲劳损伤问题。对于悬链线立管外的流体,给出涡脱落频率和升力对立管作用的计算方法。悬链线立管采用索结构模型,进行动力学分析并利用模态叠加法对其进行动力响应分析。根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则并结合S-N曲线,分析在不同流速下立管的涡激疲劳损伤。以工程中实际使用的1 500 m Spar海洋平台悬链线立管为例,对立管的涡激疲劳损伤进行了预报。并通过立管的参数研究,分别就立管外不同来流速度、立管壁厚、内部流体密度和柔性接头刚度对其疲劳损伤的影响进行了分析,得到了一些有意义的研究结果。     

质量比对柔性立管涡激振动影响实验研究

质量比是影响海洋立管涡激振动的一个重要因素.通过在室内物理实验中使立管模型内部分别充填空气、水和沙来改变立管的质量比,从而研究质量比对柔性细长立管涡激振动的影响.实验结果表明:在相同流速下,质量比大的立管模型所激起的模态更高.在低约化速度区域,空管和水管的涡激振动响应频率与涡脱落频率相同,沙管的响应频率则与自振频率更接近,三种质量比立管的响应位移较接近;在高约化速度区域,三种质量比的立管模型的响应频率处于自振频率和涡脱落频率之间,但空管的响应频率随约化速度的增大而不断增大,同一流速下,质量比大的立管模型响应位移小,其中空管的涡激振动响应一直处于大振幅的锁定状态下.共振区域对应约化速度的范围随着质量比增大而减小.     

大长细比柔性杆件涡激振动实验

涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)是导致深海细长柔性立管发生疲劳破坏的重要因素。采用实验观测手段研究了长细比为1 750的柔性立管多模态涡激振动特性。实验中,通过采用拖车拖拉立管模型在水池中匀速行进来模拟均匀流作用下的涡激振动响应。利用光纤光栅传感器测量立管模型在横流向(cross-flow,CF)和顺流向(in-line,IL)的应变,进而通过模态分解的方法,获得立管模型涡激振动的位移。在此基础上,研究了CF以及IL方向的响应频率、位移标准差的平均值和最大值等随流速的变化规律,并分析了立管模型上测点的运动轨迹及其影响因素。     

钢悬链式立管出平面运动刚体模态试验研究

钢悬链式立管为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。基于钢悬链式立管刚体摆动模型,通过理论分析和模型试验,研究了钢悬链式立管出平面运动的动力学特性,验证了作者此前提出的钢悬链式立管出平面运动的刚体模态特征。研究表明,在海洋环境荷载作用下,波浪力和涡激升力引起的悬链式立管振动不仅有弯曲变形模态,也存在刚体摆动模态。对于钢悬链式立管,刚体摆动将使触地区产生附加弯矩,从而增大了应力、加速了疲劳损伤。     

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

悬跨海底电缆作为细长柔性结构,在静力平衡状态下具有一定的垂度,在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同,其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计,试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据,采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明：垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内,对一定长度的悬跨海缆模型,当垂跨比较大时,随着流速的增大,模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态;当垂跨比较小时,模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时,疲劳损伤最大值达到0. 1~0.7。     

海洋立管涡激振动模型的实验验证

考虑内流作用利用功能原理建立顶张力立管涡激振动响应数值模型,采用尾流振子模型模拟涡激振动升力,利用Hermit插值函数将其离散得到立管振动响应的矩阵方程形式,运用Newmark-β法在时域内迭代求解其动力响应。在山东省海洋工程重点实验室进行了阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验,对比数值模拟和试验结果表明该模型对于考虑内流作用的大长细比海洋立管涡激振动响应预报是有效的,为深水立管涡激振动研究提供一定的借鉴。     

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动（vortex-induced vibration,简称VIV）,发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明：基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。     

考虑内流作用的钢悬链线立管动力特性分析

考虑内流的作用,研究钢悬链线立管动力特性。采用细长柔性杆模型,建立内流作用下钢悬链线立管运动方程,运用有限元法进行离散,通过求解动力特性方程得到立管的固有频率和模态,基于Matlab平台编写相应计算程序,探讨内流流速、顶张力和顶端压强对钢悬链线立管动力特性的影响。结果表明:随着内流流速的增加,立管的固有频率降低,高阶模态的反转点向立管底端移动;随着顶张力的增加,立管的固有频率增加,高阶模态的反转点向立管顶部移动;随着管内顶端压强的增加,立管的固有频率降低。     

内波作用下海洋立管动力响应数值模拟系统

针对目前内波对海洋立管作用研究缺乏的现状,基于MATLAB开发出内波作用下海洋立管动力响应数值模拟系统NSDRI 1.0。该系统主要考虑内孤立波作用,基于m Kd V理论求解内孤立波,使用改进的Morison方程计算作用在海洋立管上内孤立波的荷载,进而求解出立管的水平位移以及应力响应。该系统界面清晰友好,操作简单,适用于顶张力立管。选取一定参数,使用该系统进行计算,并将计算结果与已发表的成果进行对比,发现结果较为吻合,从一定程度上验证了系统的可行性,可对立管的设计提供借鉴。     

不同浸没长度下串列双立管涡激振动数值模拟

深海柔性立管涡激振动问题广受关注,其中多立管涡激振动较传统单立管涡激振动更为复杂。使用基于Open FOAM自主开发的深海柔性立管流固耦合求解器viv-FOAM-SJTU,对阶梯流中串列双立管涡激振动展开研究。首先针对阶梯流中串列双立管模型试验工况开展验证计算,下游立管的位移响应以及频率响应与试验结果基本吻合;而后改变立管浸没长度,分别选取浸没长度为0.4L(工况1)、0.55L(工况2)以及0.7L(工况3)的三种工况进行数值计算,其中L为立管长度。数值结果表明:3种浸没长度下,上下游立管的横流向振动均为一阶模态,且工况2和工况3中上下游立管的横流向位移均方根均大于工况1;上下游立管的顺流向主振模态在工况2和工况3中均为二阶,而在工况1中为一阶,且下游立管在工况2和工况3中的顺流向振动均表现出明显的多模态振动特性。     

海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望

随着深海油气资源的开采,越来越多的研究者开始关注海洋立管的涡激振动问题.在海洋环境下,洋流是海洋立管的涡激振动的主要原因.当洋流流经立管时会在立管的两侧产生交替的泄涡,导致立管受到横流向和顺流向的脉动流体力.这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因.海洋立管的涡激振动是一个异常复杂的工程问题,它涉及许多科学上悬而未决的难题,如紊流、流动分离、分离点的漂移等等.此外,事先无法确定的立管的位置和立管与洋流之间的相互作用又大大增加了解决这一问题的难度.尽管近几十年里科学界在此方面做了大量的研究工作,一个能够准确、高效、经济地预报海洋立管涡激振动的方法仍然没有得到.即便如此,最近的研究工作依然在许多方面作出了突出的成就.首先介绍了涡激振动的背景知识和基础理论.随后,回顾了近年来海洋立管涡激振动方面的研究成果.接着,重点介绍了当前海洋立管涡激振动领域内的两个热点研究问题,即:在多大程度上立管的顺流向振动能够影响立管的横流向振动,以及尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动响应的.最近的研究发现,当结构与流体的质量比小于6时,顺流向振动能显著增大横流向振动的振幅.最近的研究还发现,立管尾流的三维特性和立管受到流体力的轴向相关度有密切关系.随着流动的发展(海流折合速度从0增加到12),立管尾流的三维特性发生变化,在初期,立管尾流的三维特性不明显,流体力的轴向相关度基本等于1,也就是说,流体力和立管的位移响应是同步的,因此能量不断地由海流向立管转移,导致立管的振幅不断增大.当海流折合速度大于6时,流体力的轴向相关度由1锐减到负值,此时,立管尾流的三维效应显著.最后针对今后海洋立管的涡激振动的研究提出一些建议.     

海流作用下子母管结构横向涡激振动

基于量纲分析,设计模型试验研究稳态海流作用下子母管结构的横向涡激振动。通过对结构横向振动位移、水动力载荷和流场速度的同步测量分析,研究子母管结构横向涡激振动幅值和频率随约减速度的变化规律以及母管的水动力特性。实验结果表明,子母管间距比和质量比对管道横向振动和水动力有较大影响。在管间距比为0.1～0.5范围内,子母管结构涡激振动存在明显的不对称性。随着子母管间距比的减小,结构横向最大振幅增大,涡激振动的约减速度范围变宽;随着质量比的增大,涡激振动的约减速度范围变窄。母管的平均阻力系数随子母管间距比的增大单调递减,而平均升力系数则呈现非单调变化的特征。     

子母管结构中海缆涡激振动特性研究

采用流固耦合分析方法,对某海洋石油开采项目采用的子母管结构进行涡激振动特性研究,并与相同海缆在自由悬跨状态下振动特性进行比较。数值仿真结果显示,受母管影响,子母管中海缆由于涡街效应产生的升力振幅随时间变化不一致,而单根海缆升力幅值稳定;子母管中海缆产生的拖曳力高出单根海缆65%,振动幅值加大,并且沿整根海缆尾流中湍动能分布呈现随机性,导致水动力沿整根海缆分布不均匀。提取海缆升力与垂直水流方向振幅进行比较,发现涡激升力是导致垂直方向振动的主要原因。子母管中海缆在水流阻力和涡激升力共同作用下产生较大的位移和应变,应进一步调整夹具间距和剩余张力来减缓海缆疲劳损伤。     

基于频率响应法海底悬跨管涡激振动分析

基于挪威海洋技术研究所 (MARINTEK) 和挪威科技大学 (NTNU) 共同研发的VIVANA模型,编制了一个基于频率响应法的海底悬跨管道涡激振动预报程序,其计算结果与VIVANA符合得较好.应用所编制的程序分析在不同流速条件下海底悬跨管道的涡激振动响应及响应频率的特征,对不同悬跨长度、不同截面特征、具有简单边界的海底悬跨管道涡激振动响应和响应频率进行了计算,给出位移和应力沿管跨的分布及响应频率的变化规律.     

三根附属控制杆对海洋立管涡激振动抑制作用实验研究

海洋立管的涡激振动会严重影响立管结构的使用寿命.通过室内水槽实验研究在立管模型周围等分布置三根附属控制杆来减小立管涡激振动响应的新型抑制措施.实验中观测了0.24 m/s、0.31 m/s、0.37 m/s以及0.44 m/s四种均匀流和两个极限来流方向下的涡激振动抑制效果.实验结果表明:三根附属控制杆抑制措施可明显降低立管模型的横向振动幅值,但对主管的振动频率改变不大;同时,这一抑制措施对来流方向有较强的适应性,避免了以往单根控制杆在流向发生改变时可能加剧立管涡激振动的弊端.     

国外深水钢悬链线立管研究发展现状

介绍国外在新型深水立管系统--钢悬链线立管关键技术方面的研究发展现状,论述浮体一、二阶运动对钢悬链线立管疲劳寿命的影响、浮体升沉运动对钢悬链线立管触地点疲劳寿命的影响;钢悬链线立管与海底相互作用机制的实验研究及结果;钢悬链线立管涡致振动与疲劳的研究现状.并简要论述钢悬链线立管触地点问题的研究结论.     

均匀来流下尾翼型抑振装置效果试验研究

基于控制尾流,阻止立管尾流漩涡脱落转换路径的涡激振动抑制机理,设计三角形尾翼、片状尾翼及交错尾翼等三种抑振装置。三种抑振装置分别安装于立管模型表面,立管模型采用外径为18 mm的透明有机玻璃管。通过在均匀流场中进行安装有该抑振装置的立管模型涡激振动试验,研究三种抑振装置对立管涡激振动的抑制效率,并通过与配重裸管的涡激振动数据对比,分析抑振装置对立管动力响应的影响规律。研究结果表明,三种抑振装置均取得了明显的抑振效果,与配重裸管相比,安装片状尾翼及交错尾翼的立管模型抑制效率可达90%以上,安装三角形尾翼后立管模型振动频率略有减小,而安装片状尾翼及交错尾翼的立管模型没有明显的主导频率。     

海洋内孤立波中顶张力立管的动力响应研究

基于商业软件Fluent,建立大振幅海洋内孤立波数值水槽,获取内孤立波波致水平流速和水平加速度沿垂向的分布,结合改进的Morison公式,计算内孤立波对立管的作用,采用有限单元法在时域中对内孤立波作用下顶张力立管的动力响应进行数值模拟,并就顶张力大小、内流密度、内孤立波振幅对立管动力响应的影响进行探讨。结果表明,内孤立波对顶张力立管产生强剪切作用,使立管发生较大变形,产生较高应力,并在波谷到达时刻出现最大位移和应力,立管上层流体部分的位移和应力明显大于下层流体部分的位移和应力。