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.     

内波流场中悬链线立管涡激振动数值研究

基于内波流场的eKdv理论并结合尾流振子模型和挠性立管的非线性振动方程建立内波流场中悬链线立管计算模型,研究了内波流场中悬链线立管升力方向运动的响应问题,并分析了内孤立波波高和密度跃层位置对悬链线立管升力方向响应的影响。结果表明:内孤立波经过悬链线立管时会引起突然增大的涡激振动,其中高阶模态占主导;涡激振动最大位移发生于流体密度跃层位置附近;内孤立波波高增大以及密度跃层位置加深会使立管转变为更高阶模态振动,并且密度跃层位置加深会使立管涡激振动位移明显减小。     

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。     

Spar风电平台涡激运动特性研究

本文研究了无侧板单立柱Spar风电平台在不同约化速度(U_r)下的涡激运动特征。基于计算流体动力学进行数值模拟,采用剪应力运输(Shear Stress Transport, SST)k-ω湍流模型模拟漩涡脱落,通过自编动力积分程序和重叠网格实现涡激运动的实时流固耦合,对U_r为2～14时的平台涡激运动响应进行计算,分析涡激运动模式随U_r演变的规律,定性分析物理模型试验不满足雷诺数(Re)相似对涡激运动结果的影响。结果显示：平台分别在U_r=3.5～4.5和U_r=5～10时发生了纵荡和横荡锁频;物理模型试验不满足Re相似,高估了平台所受的黏性力。通过数值计算得出的平台涡激运动特性可为Spar风电平台相关设计分析与试验提供参考。     

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。     

海洋输流立管耦合动力分析

综合考虑黏性内流以及立管轴向和流向的耦合效应等多种因素对立管动力响应的影响,基于Hamilton原理推导得出海洋立管耦合振动方程,采用Galerkin法进行数值求解。首先分析波流载荷与平台运动联合激励和仅在平台运动作用下立管动力响应的差异,然后讨论黏性内流和顶部张力对立管动力特性和响应峰值的影响。计算结果表明:波流与平台运动耦合作用和仅在平台运动作用下的立管各阶振动模态和振动峰值存在明显差异,波浪和海流对立管的直接作用不可忽略;内流运动黏性会改变立管振型峰值,立管流向一阶固有频率随内流流速增大而减小,流向和垂向振动峰值分别随之增加和减小,但这种影响很有限,且可以通过增大立管顶部预张力来抵消。     

非金属柔性立管在海洋潮流下的动力响应特性研究

针对海洋柔性立管在服役期间,整体性能和运动响应受潮流影响较大的问题,本文在海上试验的基础上,采用OrcaFlex对长细比为448的非金属柔性立管模型进行了数值模拟。研究了潮流作用下,流速和流向的改变对于非金属柔性立管受力情况、涡激振动(VIV)响应特性和控制模态的影响。研究结果表明:潮流流向对立管顶张力、曲率和立管整体VIV响应有着显著影响,随着流速增加呈现不同变化规律。柔性立管悬垂段在高流速下更容易激发高阶模态,并呈现出明显的行波特性;立管的悬挂点和触底点为危险区域,随着流向改变易发生疲劳破坏。研究结果对海洋柔性立管总体布置设计具有参考意义。     

浮体二阶运动下钢悬链式立管触地区动态响应分析

浮体运动是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)动态响应和疲劳损伤的关键因素,目前研究SCR问题时,为简化计算往往仅考虑平台一阶运动,忽略二阶运动影响。而实际上不同浮体结构的二阶运动响应特征明显,拟以SCR服役张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)为例,探讨浮体二阶运动对SCR触地区动态响应的影响。建立考虑海床刚度退化的管土作用模型以改进现有的CABLE3D RSI程序,通过编写程序接口,将有限元分析得到的平台实际运动响应导入,研究平台不同运动作用下SCR触地区的位移、动力响应及疲劳分布情况。根据波流作用方向将TLP二阶慢漂运动分为近端和远端漂移两种工况,发现二阶运动下立管与海床的作用范围会增大,且触地区不仅发生高频小幅振荡运动,同时伴随低频大幅运动响应;平台远端漂移时,管内张力敏感程度高,而近端漂移时触地区的弯矩显著增大,都会不同程度提高触地区的疲劳损伤率。研究可为服役不同浮体的SCR响应预测与疲劳分析提供参考和借鉴。     

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。     

弯曲柔性立管举升气液两相流时的流固耦合效应研究

海洋油气混输时,气液两相流与混输立管之间的双向流固耦合作用机理十分复杂.针对柔性立管与气液两相流的流固耦合响应问题,在气液两相循环试验装置中开展了不同流型两相流流动特性及柔性立管振动响应的测试,利用高速摄像非介入测试技术同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的流型演变过程,对比了不同流型气液两相流诱导的立管振动响应特性,通过对比固定和振动立管内的气液两相流动特性,辨析了振动对管内两相流动的影响.结果表明:柔性立管中出现了泡状流、泡状—段塞流、段塞流、段塞—搅拌流和搅拌流五种流型,不同流型的气液两相流诱导立管振动的机理不同,在段塞—搅拌流作用时立管的振动响应最剧烈.与固定立管相比,强烈的振动不同程度地改变了气液两相流的流动特性,振动立管中部分两相流流型转变的临界条件有明显地调整,相对而言,振动对搅拌流和泡状流的影响较小.     

Experimental Study on Coupled Cross-Flow and in-Line Vortex-Induced Vibration of Flexible Risers

In this work, we study the coupled cross-flow and in-line vortex-induced vibration （VIV） of a fixedly mounted flexible pipe, which is free to move in cross-flow （ Y- ） and in-line （ X- ） direction in a fluid flow where the mass and natural frequencies are precisely the same in both X- and Y-direction. The fluid speed varies from low to high with the corresponding vortex shedding frequency varying from below the first natural frequency to above the second natural frequency of the flexible pipe. Particular emphasis was placed on the investigation of the relationship between in-line and cross-flow vibration. The experimental results analyzed by using these measurements exhibits several valuable features.     

防振锤对深水导管架圆管风致涡激振动抑制研究

研究了阻尼防振锤对深水导管架圆管风致涡激振动的抑制。建立了防振锤动力学模型,分析了防振锤的动力学特性;将在建深水导管架圆管简化为固支梁,建立了结构有限元模型,通过瞬态分析计算了圆管的振动幅值;在圆管中部添加防振锤,分析了防振锤对圆管振动的抑制效果;进行了现场测试,对比了数值模拟和实际测试管道的振动响应。研究表明,文中设计的防振锤可以有效地抑制圆管的涡激共振;数值模拟结果与测试结果非常接近,验证了数值分析方法的有效性。     

基座安装对平台减振特性影响研究

在现场实测数据与瓦锡兰提供的发动机台架测试数据的基础上,通过对比分析得出发动机主要垂向激励频率。应用ABAQUS建立基座腹板对中实肋板和错开实肋板的有限元简化模型,进行基座及连接结构的模态和阻抗特性分析,结果表明基座腹板对中实肋板的结构布置方式有利于避免共振,并且基座结构与实肋板的对中设计对垂向的阻抗影响较大。在相同激励下,研究了两种不同的基座布置方式对振动激励的响应特性。研究结果表明在设备基座设计时应尽可能使基座腹板对中支撑结构的舱壁或实肋板。这是保证基座结构高阻抗值的有效方式,对于降低结构振动传递起到重要作用。     

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。     

基于海冰区划的平台结构振动舒适度设计--容许加速度限值

海冰作用下平台结构的振动舒适度是冰区导管架平台结构设计需要考虑的重要问题，传统的单一界限方法由于不能考虑冰期的长短和冰情出现概率，从而导致了不同冰区平台结构具有不同的振动舒适度水平。引入了对振动舒适度进行量化的烦恼率模型，结合冰期和冰情出现概率，给出了不同冰期和冰情出现概率下结构容许振动加速度的确定方法。结合我国渤海的海冰区划，给出了不同冰区结构容许振动加速度值。     

非灌浆导管架平台异常振动的测试分析及故障诊断

通过对平台在风浪作用下的振动测试分析,发现了直立式非灌浆桩腿导管架平台在海底冲刷条件下发生异常振动的原因是导管架与桩之间存在较大的相对运动,以至于在风浪较大时发生碰撞。因而,结构的动力特性和动态响应都与设计结果不一致。在非极值海况条件下,平台的振动超出了设计预测值,并提出了治理和设计建议。     

导管架圆管风致涡激振动对总体疲劳性能的影响

研究了在建阶段导管架圆管发生风致涡激振动对整体疲劳性能的影响。建立了圆管动力学模型,分析了圆管的动力学特性;固定系数取值0.7模拟实际工程中圆管两端的焊接约束形式,计算了圆管的振动响应;基于线性累积损伤准则和S-N曲线计算了圆管发生风致涡激振动的疲劳损伤度,并根据规范计算出圆管在位阶段的疲劳损伤度,对比总结风致涡激振动对总体疲劳性能的影响以及振动抑制措施对疲劳性能的改善。研究表明,在建阶段导管架圆管发生风致涡激振动会明显地影响圆管的疲劳特性,降低疲劳寿命,因此可以通过绑定绳索、安装防振锤等手段减少结构的疲劳损伤。     

Reynolds and Mass-Damping Effect on Prediction of the Peak Amplitude of A Freely Vibrating Cylinder

The Reynolds effect and mass-damping effect on the peak amplitude of a freely vibrating cylinder is studied by using forced oscillating data from Gopalkrishnan＇ s research in 1993, in which all experimental cases were carried out at a fixed Reynolds and the tested cylinder was recognized as a body that had no mass and damping. However, the Reynolds and roass-damping are the very important parameters for the peak amplitude of a freely vibrating cylinder. In the present study, a function F is introduced to connect the forced oscillation and free vibration. Firstly the peak amplitude AG^＊ can be obtained from the function F using forced oscillation data of Gopalkrishnan＇ s experimental at Re = 10^4, and then the Reynolds effect is taken into account in the function f（Re）, while the mass-damping effect is considered in the function K（ α ）, where a is the mass-damping ratio. So the peak amplitude of a freely vibrating cylinder can be predicted by the expression： A ^＊ = K（ α ）f（ Re ）AG^＊ . It is found that the peak transverse amplitudes predicted by the above equation agree very well with many recent experimental data under both high and low Reynolds conditions while roass-damping varies. Furthermore, it is seen that the Reynolds number does have a great effect on the peak amplitude of a freely vibrating cylinder. The present idea in this paper can be applied as an update in the empirical models that also use forced oscillation data to predict the vortex induced vibration （VIV） response of a long riser in the frequency domain.     

海底管道管跨段在内外流体作用下的竖向动力特性研究

根据在复杂的海洋环境条件下,管道的动力特性受到内外流体的综合作用影响,呈现与陆地管道不同的特点。研究了结构受到外界流体所产生的涡激作用,同时考虑管内恒定流的影响,利用有限元方法对海底管道管跨段竖向振动的微分方程进行求解。在此基础上得出了管跨段在不同外流流速情况下,内流流速与结构动力响应幅值的关系及其对管跨段振动频率的影响,并进一步探讨了管跨失稳时的极限管内流速与跨长的关系,这些结论对于海底管道设计具有一定实际指导意义。     

Numerical Simulation of Self-Excited and Forced Vibration of Circular Cylinders in Current

Numerical simulations of a low-mass-damping circular cylinder which can oscillate freely at transverse and streamwise directions are presented in this work.The Navier-Stokes equations are solved with finite volume method,and large eddy simulation of vortex is also performed in the calculation.In order to implement dynamic mesh,overlapping grids are generated to lessen the computation for mesh field itself.Self-excited vibrations are firstly calculated to obtain the average amplitudes and frequencies of the target circular cylinder in the current flow situation,and then forced oscillations are implemented with parameters obtained in vortex-induced vibrations previously.With slight amplitude modulation,time series of displacements in vortex-induced vibrations are essentially harmonic.Regarding the fluid force,which are larger in forced oscillations than those in corresponding self-excited cases because the fluid subtracts energy from the forced cylinders.The phase angles between forces and displacements are 0° and 180° for self-excited case and forced case respectively.In vortex-induced vibrations,the interactions between fluid and structure produce some weakly energetic vortices which induce the modulations of amplitude and frequency.