海洋立管涡激振动的流固耦合模拟计算

通过求解粘性Navier-Stokes方程、湍流模型,以及涡激振动的结构动力响应方程,实现流固耦合,运用动网格技术,在雷诺数3 125～16 250的较大范围内对立管低质量比、小阻尼的情况进行了单自由度和两自由度涡激振动的模拟计算。得到了立管升阻力系数、位移比和频率等随约化速度变化的规律,捕捉到"锁定"、"失谐"和"相位开关"等现象,并与经典的实验及模拟结果做对比,效果很好。然后对两种自由度的结果进行对比,表明在低质量情况下流向阻力引起的运动对振动的影响不能忽略。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

新型深水海洋输液立管涡激振动抑振装置试验研究

本文设计一种新型涡轮扰流抑振装置,并在风-浪-流联合水槽中通过试验研究了该抑振装置对海洋立管涡激振动的抑制效果。在试验中,针对该新型抑振装置,提出了4种不同结构设计参数,研究了在不同外流速下各种参数工况的抑制效果及振动规律。试验结果表明:涡轮扰流抑振装置不受来流方向的限制,有较强的适用性;同时,该抑振装置能明显降低立管由漩涡脱落引起的横向振动幅值,且流速越高,抑制效果越明显,最大抑制效果可达80.2%;另外,试验结果还表明该抑振装置对立管振动的主频率影响不大。     

Experimental Investigation on Vortex-Induced Vibration of Steel Catenary Riser

Steel catenary riser(SCR) is the transmission device between the seabed and the floating production facilities. As developments move into deeper water, the fatigue life of the riser can become critical to the whole production system, especially due to the vortex-induced vibration(VIV), which is the key factor to operational longevity. As a result, experimental investigation about VIV of the riser was performed in a large plane pool which is 60 m long, 36 m wide and 6.5 m deep. Experiments were developed to study the influence of current speed and seabed on VIV of SCR. The results show that amplitudes of strain and response frequencies increase with the current speed both in cross-flow(CF) and in-line(IL). When the current speed is high, multi-mode response is observed in the VIV motion. The amplitudes of strain in IL direction are not much smaller than those in CF direction. The seabed has influence on the response frequencies of riser and the positions of damage for riser.     

Experimental Investigation on Vortex-Induced Vibration of Steel Catenary Riser

Steel catenary riser (SCR) is the transmission device between the seabed and the floating production facilities. As developments move into deeper water, the fatigue life of the riser can become critical to the whole production system, especially due to the vortex-induced vibration (VIV), which is the key factor to operational longevity. As a result, experimental investigation about VIV of the riser was performed in a large plane pool which is 60 m long, 36 m wide and 6.5 m deep. Experiments were developed to study the influence of current speed and seabed on VIV of SCR. The results show that amplitudes of strain and response frequencies increase with the current speed both in cross-flow (CF) and in-line (IL). When the current speed is high, multi-mode response is observed in the VIV motion. The amplitudes of strain in IL direction are not much smaller than those in CF direction. The seabed has influence on the response frequencies of riser and the positions of damage for riser.     

Numerical Simulation of the Vortex-Induced Vibration of A Curved Flexible Riser in Shear Flow

A series of fully three-dimensional(3 D) numerical simulations of flow past a free-to-oscillate curved flexible riser in shear flow were conducted at Reynolds number of 185–1015. The numerical results obtained by the two-way fluid–structure interaction(FSI) simulations are in good agreement with the experimental results reported in the earlier study. It is further found that the frequency transition is out of phase not only in the inline(IL) and crossflow(CF) directions but also along the span direction. The mode competition leads to the non-zero nodes of the rootmean-square(RMS) amplitude and the relatively chaotic trajectories. The fluid–structure interaction is to some extent reflected by the transverse velocity of the ambient fluid, which reaches the maximum value when the riser reaches the equilibrium position. Moreover, the local maximum transverse velocities occur at the peak CF amplitudes, and the values are relatively large when the vibration is in the resonance regions. The 3 D vortex columns are shed nearly parallel to the axis of the curved flexible riser. As the local Reynolds number increases from 0 at the bottom of the riser to the maximum value at the top, the wake undergoes a transition from a two-dimensional structure to a 3 D one. More irregular small-scale vortices appeared at the wake region of the riser, undergoing large amplitude responses.     

涡激振动潮流能转换装置获能实验研究

涡激振动潮流能转换装置是适用于低流速、浅水地区的海洋潮流能资源开发的一种新型装置。本文对涡激振动装置的工作机理进行研究,利用涡激振动流体力分解模型,建立了涡激振动方程和预测模型并对预测模型进行了验证。建立涡激振动的数学耦合模型,结合理论分析和预测模型设计了模型实验样机,进行水槽实验,测试流速、弹性系数等参数对涡激振动响应的影响,实验数据验证了数学耦合模型的合理性。     

月牙肋抑振装置对柔性立管涡激振动抑振作用的试验研究

海洋立管的涡激振动会对立管结构的疲劳寿命产生严重的影响。提出1种月牙肋抑振装置,通过在室内水槽中进行物理模型试验,研究该装置在涡激振动情况下对立管的抑振作用。测得该装置在立管表面不同布置方式时顺流向及横流向振动的应变时程曲线,使用DASP软件对所测数据进行分析处理,得到立管的振动幅值和功率谱。试验结果表明:这种月牙肋抑振装置可明显降低立管模型的振动幅值,且对振动频率有一定的影响,同时也表明不同的布置方式对立管的抑振效果也不相同。     

分离盘控制圆柱涡激振动的数值模拟研究

圆柱涡激振动问题一直以来备受关注,分离盘作为涡激振动抑制装置得到广泛研究。分离盘长度L与圆柱直径D之比L/D是影响抑制效果的主要因素。运用有限体积法结合RANS方程与一定的湍流模式离散和求解流场,通过编写自定义程序,使用动网格模拟结构物的运动带来的流域边界的变化,针对弹性支撑的圆柱及附加长度为0.5 D的分离盘模型,在约化速度Ur为2.5~13的情况下,对涡激振动及其抑制进行研究。结果表明:分离盘可以抑制甚至消除圆柱涡激振动,99%以上的振幅被抑制;锁定区始点被推后,锁定区变窄;附加分离盘的圆柱阻力和升力被抑制;其斯特鲁哈数(St)稍高于单圆柱St但差别不大。     

Experimental Study on Vortex-Induced Vibration of Rough Risers with Coupling Interference Effect Under Side-by-Side Arrangement

A vortex-induced vibration(VIV) experiment of rough risers with coupling interference effect under a side-by-side arrangement was carried out in a wave-current combined flume. The roughness of the riser was characterized by arranging different specifications of surface attachments on the surface of the riser. Rough risers with three different roughnesses were arranged side by side with smooth risers to explore the VIV response of the riser under the combined action of roughness and interference ...