涡激致顶张力立管双频参量共振研究

研究了涡激力作用导致顶张力立管基于双频激励的参量共振机理。随着海洋油气开发走向深水,参量共振成为深海立管设计面临的挑战之一。立管系统一旦发生参量共振,将因应力过大或疲劳损伤而发生破坏,造成油气泄漏从而带来环境污染和重大经济损失。顶张力立管受涡激力作用产生横向运动,引起轴向张力波动,满足一定条件时,立管将发生参量共振。目前研究多以单频外激励探讨立管的马修不稳定性,而实际激励为多频叠加,因此双频外激励被提出并被应用于对立管参量稳定性的探讨。研究建立了顶张力立管非线性耦合的运动方程,并推导了多频激励马修方程,采用布勃诺夫-伽辽金法求解有阻尼马修方程,对比分析了单频和双频激励对顶张力立管参量稳定性的影响,探讨了双频激励马修方程设计深海顶张力立管参量稳定性的应用。研究表明:涡激致顶张力立管产生轴向应力波动,进而导致立管系统发生参量共振的现象值得设计人员关注;此外,实际工程设计中激励函数的选取,对被研究系统参量稳定性特性以及阻尼特性的预测具有决定性影响。     

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。     

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.     

新型海洋立管涡激振动抑振装置的敏感性试验

将月牙扰流器按"八"字布置于立管表面用以抑制立管涡激振动,为研究其抑振效果,分析其抑振敏感性,在大型波、浪、流水槽进行涡激振动抑振试验。试验中采用有机玻璃管模拟立管,立管模型长1.5m,外径18mm,壁厚2mm,两端铰接,外流速分别为0.6、0.7m/s。按照不同螺高、螺距及迎水面形式设计8根具有正八字、倒八字抑振装置的不同类型抑振管,同时设计一根与抑振管相同配重的裸管,在立管表面粘贴应变计以测得动态应变数据,经过数据处理得到立管振动位移值。通过各抑振管间以及抑振管与配重裸管之间横向振动位移幅值的对比,研究抑振装置的抑振敏感性。结果表明:在适当尺寸及布置形式条件下,表面按"八"字布置月牙扰流器能够有效抑制立管横向涡激振动;迎水面月牙布置形式不同,抑振效果略显不同,迎水面布置为倒八字其抑振效果优于正八字,但该种抑振装置仍可实现全向性;抑振装置的螺高、螺距对抑振效果有一定影响,螺高增大、螺距减小有利于提高抑振效果。     

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。     

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。     

海中输流立管涡激振动试验研究及疲劳寿命分析

为研究海洋立管涡激振动响应并预测其疲劳寿命,在中国海洋大学物理海洋实验室大型风-浪-流水槽进行海洋立管涡激振动模型试验.考虑管内流体的流动,运用相似理论将实际海洋立管缩放为试验模型,施加不同流速的外流,测得立管在涡旋脱落时顺流向及横向振动的应变时程曲线,根据实测结果,采用Miner理论对立管进行疲劳寿命分析.结果表明:立管横向振动比顺流向振动强烈,大约高一个数量级;随骀着外流流速的增加,管道横向及顺流向振动明显增加,立管的疲劳寿命降低;立管中部及端部振动比较强烈,疲劳寿命较其它位置处低,容易发生疲劳破坏.     

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。     

深水海洋立管涡激振动试验流场设计及CFD数值模拟

针对阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验所需的外流条件,根据实验室的基本情况,对试验流场进行了设计改造和数值模拟。根据数值模拟的结果,选定了试验流场的改造方案,并对改造后测得的试验数据和数值模拟的结果进行了对比分析。结果表明:在低流速时,模拟结果与试验流速吻合较好;在高流速时,数值模拟结果比试验流速略大。在误差允许的范围内,可以得到均匀分布的流场。     

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.     

内孤立波作用下顶部张紧式立管动力特性

基于内孤立波mKdV理论,采用考虑内流的细长杆动力学方程,结合改进的Morison公式,研究两层流体中内孤立波与顶张立管的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析在该内孤立波作用下某顶张立管的内孤立波载荷与运动响应,以及立管横截面弯矩及其应力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对顶张立管产生突发性的冲击载荷以及大幅度水平变形,而且还会使其横截面弯矩及其应力显著增大。因此在深海立管的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

Analytical solution of mean top tension of long flexible riser in modeling vortex-induced vibrations

The vortex-induced vibration (VIV) of flexible long riser with combined in-line and cross-flow motion has been studied using a wake oscillator in this paper. The analytical solution of mean top tension of long flexible riser is evaluated and compared with experimental results, and good agreement is observed to verify its validity. Then the nonlinear coupled dynamics of the in-line and cross-flow VIV of a long tension-dominated riser were analyzed through wake oscillator model with the consideration of variation of the mean top tension. The in-line and cross-flow resonant frequencies, lift and drag coefficients, dominant mode numbers, amplitudes and instantaneous deflections are reported and compared with experimental results, and excellent agreements are observed. The comparison of mode numbers between the calculation with and without consideration of variation of mean top tension shows that the proposed analytical solution of the mean top tension can produce a better prediction of multi-mode VIV.     

A finite element method for dynamic analysis of long slender marine structures under combined parametric and forcing excitations

This paper presents a numerical analysis of lateral responses of a long slender marine structure under combined parametric and forcing excitations. In the development of the 3-D numerical program, a finite element method is implemented in the time domain using the Newmark constant acceleration method. Some example studies are performed for various water depths, environmental conditions and vessel motions. The relative amplitudes of combined excitations to a conventional forcing excitation are examined. The response amplitude of a combined excitation is much greater than that of a forcing excitation in the even number of instability regions of the Mathieu stability chart. The results demonstrate that a combined excitation needs to be considered for the accurate dynamic analysis of long slender marine structures subjected to a surface vessel motion.     

A vortex induced vibration of marine riser in waves

A marine riser transporting fluid in the Bohai Sea was selected as study object,using an experi-mental and numerical method to study its vortex induced vibration in waves. A similarity theory was used in the experiment to derive the experimental model from a practical model,the dy-namic response of a riser model was measured in waves. A corresponding numerical simulation was performed using a finite element method. Comparisons were made with the results between the experiment and the numerical simulation. Some valuable results were obtained.     

考虑涡激运动下海洋柔性立管的疲劳损伤分析

基于ABAQUS/AQUA模块,当Spar平台发生涡激运动时,对与平台相连接的柔性立管进行时域动态响应分析,得到了不同折合速度下柔性立管的应力响应曲线.对立管触地区域和悬垂段进行了细化的分析,并利用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对平台涡激运动引起的柔性立管疲劳损伤进行了计算.研究结果表明:平台涡激运动对立管触地区域和悬垂段的影响较大,这两部分最容易在长时间的工作中产生疲劳损伤.特别是平台运动到近点时,立管触地区域受到的应力急剧增加,这个区域是立管工作的危险区域,应该特别注意.该研究结论可以作为立管结构设计和海底铺设时的参考,通过增加立管触地区域的结构强度和优化铺设方式,从而来提高立管的疲劳寿命和系统的安全性.     

组合载荷作用下深海非粘结柔性管力学性能对比分析

建立深海非粘结柔性管新型力学数值分析模型,分析其在复合载荷工况下的力学性能。深海非粘结柔性立管是深水资源开发的关键设备,安装成本低,适用于恶劣深海环境。然而,由于非粘结柔性管本身的结构型式复杂以及层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使其局部力学性能分析面临众多挑战。研究针对非粘结柔性立管特殊的结构型式,建立一个高效的数值分析模型,对其刚度进行数值求解并与实验结果进行对比,探讨了内压和拉伸、扭转、弯曲的组合载荷工况和拉扭组合载荷工况对非粘结柔性立管刚度的影响。研究表明,本文所建立的简化模型计算结果与实验结果吻合较好。此外,柔性立管所受到的内压可以在一定程度上增加非粘结柔性立管的刚度;拉扭组合载荷工况使非粘结柔性立管的拉伸刚度降低明显,而使其扭转刚度少量增加,总体上较单一载荷工况更加危险。     

软悬挂状态下隔水管动力特性分析

建立了软悬挂状态下隔水管动力分析模型,采用有限单元法对模型进行离散,结合Newmark-β法对动态方程求解,并对模型进行验证,最后选取南海某口深水井实际参数,对软悬挂状态下隔水管动力特性进行分析。研究结果表明:软悬挂状态下隔水管底端横向位移最大,顶部铰接处弯矩最大。软悬挂状态下,隔水管横向位移与弯矩随着海底隔水管总成(LMRP)重量增加而减小,随着平台运动速度、平台航向与海流方向夹角增大而增大;回收隔水管减小悬挂长度有利于减小最大横向位移,但会造成弯矩轻微增加;采用旋转刚度适当较大的挠性接头则有利于减小隔水管挠性接头以下整体位移与弯矩。研究成果为钻井平台避台撤离时隔水管的安全提供理论指导。     

非线性管土耦合作用下钢悬链式立管触地区敏感性分析

浮体运动和海床土刚度是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)管土相互作用的关键因素,将导致SCR触地区的疲劳损伤。以工作水深为1500 m的浮式平台上生产立管SCR为研究对象,基于法向抗力模型和侧向阻力模型建立管土作用模型,在环境载荷和浮体运动作用下,开展SCR与浮式平台的整体分析,研究海床土参数对SCR触地区动态响应和疲劳寿命的敏感性。通过改变海床土的不排水抗剪强度Su0、强度梯度ρ、吸力因子f_suc、吸力衰减参数λ_suc以及再贯入系数λ_rep等,得到不同参数对触地区动力响应、疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:①基于软黏土海床,随着不排水抗剪强度Su0的增加,触地区立管疲劳寿命减幅达到33.23%,敏感性最高;②吸力因子f_suc越大,立管疲劳寿命越小且减幅达23.77%,其敏感性较高;③随着再贯入系数λ_rep增大,触地区立管疲劳寿命增幅达到15.48%;④海床抗剪强度梯度ρ和吸力衰减参数λ_suc对立管疲劳寿命影响较小。研究结论能为SCR设计分析及安全服役提供重要参考。     

振荡剪切流作用下钢悬链线立管非线性动力分析

钢悬链线立管(SCR)的非线性动力响应会在复杂的海洋环境下发生改变。以钢悬链线立管为研究对象,采用细长柔性杆理论,考虑波浪与振荡剪切流联合作用,建立钢悬链线立管运动方程并进行有限元离散,在时域中求解,编写相应计算程序,通过算例研究钢悬链线立管在波浪与振荡剪切流联合作用下的动力响应变化规律。将振荡剪切流与一般剪切流进行对比,得到突发海况下振荡剪切流对钢悬链线立管动力响应的影响规律,为复杂海洋环境下的工程设计提供依据。