海洋立管抑振装置优化布置的实验研究

设计1种梯形截面的三螺旋导板抑振装置,在实验室大型水槽进行海洋立管涡激振动实验.通过改变这种抑振装置的覆盖方式和覆盖范围,研究梯形截面螺旋导板的不同覆盖方式和覆盖范围对抑制海洋立管涡激振动的作用.实验时用动态电阻应变仪采集立管模型横向和顺流向的动态响应数据,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析.实验结果表明:在外流流速相同的条件下,三螺旋导板各种覆盖方案对涡激振动都有抑制作用;随着螺旋导板覆盖率的增加,立管的振动减弱,疲劳寿命增加;覆盖螺旋导板的立管顺流向振动频率明显降低,横向振动频率当覆盖率较高时有所降低,覆盖率较低时基本没有变化.     

基于MATLAB的海洋立管涡激振动数值模拟系统研究

基于MATLAB开发海洋立管涡激振动数值模拟系统NSVIV 1.0,系统采用尾流振子模型模拟外流对立管结构的作用,考虑内流对立管结构的影响,对立管的涡激振动动力响应和疲劳寿命进行预测分析。系统界面简洁清晰,使用方便,适用于顶张力立管,为进一步集成功能齐全的海洋立管设计分析软件打下基础。     

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.     

考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析

通过对管道的涡激振动试验,提出了考虑流固耦合的非线性涡激升力表达式,并用该式进行了海底管线悬跨段非线性动力响应时程分析。对考虑流固耦合与未考虑流固耦合情况下得到的管道动力响应时程进行对比,算例表明:当管外流场流速与管道顺流向振动速度值较接近时,不考虑流固耦合时的计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果。分析认为,在管外流场流速与管道顺流向振动速度值较接近的情况下,管道的涡激振动计算宜采用非线性涡激力模型。     

细长输流管内外流耦合振动特性研究

管内流动会影响输流管的振动响应,目前关于输流弹性管涡激振动方面的研究较少。基于计算流体力学(CFD)方法,开展内外流对细长输流弹性管振动特性影响的研究。首先在不考虑内流的情况下将弹性管涡激振动数值预报结果与模型试验数据进行对比,验证了数值方法的可靠性。再者考虑内外流耦合作用情况下,对不同内流流速下细长输流弹性管振动位移时—空分布、顺流向最大平均偏移、振动轨迹、内部横向涡的形成与分布等进行了对比分析。结果发现,与外流流速相比,内流流速的增加虽然难以改变弹性管的主振模态,但对沿管体的振动强度影响显著。顺流向最大偏移处管体运动轨迹发生明显的变形和跳跃。在剪切外流和均匀内流对弹性管的联合作用下,沿管跨方向模态间能量转换频繁,伴随着间歇性出现或消失的沿弹性管传播的行波组分,这主要归因于复杂的双重流固耦合系统(外流—管体,内流—管体)。在内流以附加质量力、离心力和科氏力形式的激励下,弹性管内二次流现象明显。在振动过程中,内部横向涡沿管壁生成、脱落并逐渐散布于整个横截面。     

抑制涡激振动的螺旋列板设计参数研究

基于水池模型实验结果和工程设计经验,结合国内外试验数据,着重分析用于抑制海洋立管涡激振动的螺旋列板几何参数(鳍高和螺距)及覆盖率对立管涡激振动的影响;并对水动力直径和水动力系数的选取对预报涡激振动的影响进行了分析,进而提出了适合于海洋立管工程应用的螺旋列板几何和设计参数选取的建议,为螺旋列板工程应用、海洋立管强度和疲劳设计提供参考。     

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。     

海洋立管试验支座设计及其对涡激振动影响研究

针对大长细比顶张力立管内外流共同作用时涡激振动的试验研究,考虑端部铰接和固接两种边界条件,设计了可施加张力和内流的铰接支座和固接支座,并对两种支座进行数值模拟及受力分析,最后用于深水立管的涡激振动试验。立管模型材料采用6.2 m长铜管,外径20 mm,壁厚1.5 mm,分别支撑在铰接支座和固接支座上,施加不同的顶部张力、外流流速和内流流速。通过在立管表面粘贴光纤光栅应变计获得动态应变数据,分别从动态响应幅值、频率等方面对不同边界条件立管的试验数据进行对比分析,得出在顶张力、内流速相同的情况下,外流速相等时两端铰接立管的振动幅值大于两端固接立管,随着外流速的增加,两端铰接立管比两端固接立管率先发生锁振现象。     

深海顶张紧式立管涡激振动疲劳可靠性研究

以深海顶端张紧式立管为研究对象,基于圆柱体受迫振荡实验数据和能量平衡原理预报立管涡激振动响应及其诱发的疲劳损伤度,各主要参数随机化,应用响应面法建立了涡激振动疲劳安全系数与极限状态方程关系,研究了疲劳安全系数对结构可靠性的影响,并分析了各随机变量的灵敏度。研究结果表明:1)随着疲劳安全系数的增大,结构失效概率逐渐减小,且失效概率的减小幅度随疲劳安全系数的增加而趋缓。疲劳安全系数SF无需超过20。2)增加疲劳安全系数SF可降低疲劳载荷不确定量B、S-N曲线参数A、顶张力、流速、外径和壁厚等立管及环境随机变量对结构涡激振动疲劳损伤可靠性的影响。3)立管各参数中,流速、外径和壁厚均值越大,立管结构安全度越低,顶张力对结构影响相反;各参数的标准差越大,结构可靠度越低。均值灵敏度由大到小依次为顶张力、流速、外径和壁厚,标准差灵敏度由大到小依次为流速、张力、外径和壁厚。4)壁厚对深海顶张紧式立管涡激振动所致疲劳损伤影响很小,可忽略其影响。研究成果可为深海顶张紧式立管涡激振动疲劳安全系数的选取提供参考。     

驳船横荡运动下海洋立管的动力响应

海洋浮式生产系统下立管的受力情况复杂,国内的研究大多集中于两端固支或简支的情况。本文则以水面驳船的横荡运动作为立管上端的动力边界条件,将Matteo Luca Facchinetti的尾流振子模型与考虑外流涡激振动作用下海洋立管运动微分方程相结合,得到管道与流体的耦合振动方程,用Hermit插值函数将方程进行有限元离散,并用Newmark时程分析法及迭代法求解,得到管道各点的位移时程曲线。结果表明:立管的振动频率主要由上端驳船的运动频率所确定,随着驳船运动频率的增加,立管中点的位移幅值先增加后减小;在有动边界存在的条件下,改变外流流速对立管中点的位移幅值影响不大。