考虑阻尼海底悬跨段管道的动力特性及允许悬空长度

以海底悬跨段输液管道为研究对象,考虑管道结构阻尼、流体附加阻尼、管内流体流动及管道轴向力和压强的作用,对其进行受力分析,导出管道振动微分方程,进而得到管道动力特性方程。用Hermit插值函数对管道的动力特性方程进行离散得到有限元表达式,采用复模态分析法,求得管道的自振频率。为防止管道发生横向涡激振动,用约化速度作为控制条件,确定管道允许悬空长度。结果表明,管道允许悬空长度随着内流流速、轴向压力和管内压强的增加而减小,随着轴向拉力的增加而加大。     

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。     

海洋立管复模态动力特性分析

考虑阻尼的影响,研究海洋立管的动力特性。通过分析管内流体及管外海洋环境荷载的共同作用,建立海洋立管涡激振动偏微分方程,进而得到立管动力特性方程,用复模态分析法求解动力特性方程得到立管考虑阻尼的自振频率。算例计算表明:考虑阻尼的立管自振频率略小于不考虑阻尼的立管自振频率;立管的自振频率随着内流流速的增加而减小,但内流流速不大时,影响较小;管道长度对立管的自振频率影响较大。     

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。     

水下输液管道动力特性研究

该文研究水下横向输液管道的动力特性 ,假定管道系统承受外界均匀流的作用 ,同时考虑管内流体流动的影响 ,建立了水下输液管道侧向振动的微分方程。采用 Hermite插值函数和Galerkin法离散得到其有限元标准形式。研究管内流动为恒定流时输液管道长度、内部流体流动速度对管道动力特性的影响及管内流动含有谐波挠动的情况下输液管道固有频率的变化。结果表明 ,在管内恒定流动的情况下 ,输液的自振频率随管道长度及管内流速的增加而降低 ,同时管内流动的谐波挠动对管道的自振频率也有影响。     

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.     

线弹性土壤中埋设悬跨管道的弯曲和振动特性

利用细长梁小挠度理论,研究给出了两端埋设在线弹性土壤中的悬跨段管道和埋设段管道在自重作用下的变形和内力公式。基于静挠度公式,用能量法给出了第一阶弯曲振动的固有频率公式。讨论了不同土壤刚度条件下悬跨段管道的变形和内力特征,以及第一阶弯曲振动固有频率,并和工程上推荐使用的简支梁和两端固支梁的静动态特性进行比较。研究表明在跨度大、土壤刚度大、管道弯曲刚度较小时无量纲土壤刚度系数较大,埋设段管道对悬跨段管道的刚度约束比较大,悬跨段管道可以近似按两端固支梁模型来模拟;反之,只有在土壤刚度系数较小的几个参数点上,悬跨管道的静动力特性等价于简支梁模型。     

埕岛油田海底管道悬空特征及其影响因素

海底管道是海上油气生产的重要设施，而管道悬空是影响其安全运作的主要因素之一。根据海底管道复勘资料，利用ArcGIS对埕岛油田海底管道的在位状态以及分布情况进行分析，重点统计分析了管道悬空特征和悬空规律，并分析了海底管道悬空的原因以及影响因素。结果表明，悬空管道占总调查管道总长度的4.03%，主要分布在水深为5～15 m范围内的三角洲前缘斜坡上。近90%悬空管段的长度<60 m，其中以10～20 m最为常见。超过90%悬空管段的悬空高度<1 m，其中以0.2～0.4 m最为常见。研究区海底管道悬空的主要原因为海床冲刷，其影响因素主要包括沉积物特征、地形地貌以及海洋动力条件。     

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。     

深海悬垂取水管振动特性研究

深海悬垂取水管的设计趋向于大直径、高内流流速,内流对取水管振动特性的影响不可忽略,分析内部流动引起的管道动态失稳行为以及评估失稳临界流速具有重要工程意义。基于小尺度模型试验,研究内流对深海悬垂取水管道振动特性的影响规律,结果表明：随着内流流速增加,取水管模型会发生动态失稳行为,表现为一种间歇性的近周期运动,该运动主要由管道一阶弯曲模态引起的不稳定性诱导。管道材料、顶端连接方式及底部配重块均影响其动态稳定性,顶端固定连接时质量比小的管道更易发生动态失稳;顶端变为铰接时,质量比大的管道失稳临界流速变小,质量比小的管道失稳临界流速变大。相比顶端边界条件,底部配重块对管道失稳临界流速影响不显著但可以减小其振动幅值。     

Numerical simulation of a partially buried pipeline in a permeable seabed subject to combined oscillatory flow and steady current

Hydrodynamic forces exerting on a pipeline partially buried in a permeable seabed subjected to combined oscillatory flow and steady current are investigated numerically. Two-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations with a k−ω turbulent model closure are solved to simulate the flow around the pipeline. The Laplace equation is solved to calculate the pore pressure below the seabed with the simulated seabed hydrodynamic pressure as boundary conditions. The numerical model is validated against the experimental data of a fully exposed pipeline resting on a plane boundary under various flow conditions. Then the flow with different embedment depths, steady current ratios and KC numbers is simulated. The amplitude of seepage velocity is much smaller than the amplitude of free stream velocity as expected. The normalized Morison inertia, drag and lift coefficients based on the corresponding force coefficients of a fully exposed pipeline are investigated. The normalized Morison force coefficients reduce almost linearly with the increase of embedment depth and that the KC only has minor effect on the normalized Morison coefficients. It is also found that the permeable seabed condition causes a slight increase on the inline force and has a little effect on the lift force, compared with corresponding conditions in an impermeable bed.     

偏心环空螺旋流的PIV测试研究

首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场,设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40％和80％的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验。得到了轴向速度影响规律：压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大;流量一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小;偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小;当其它条件相同时,轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好。证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。     

Three-dimensional poro-elastic integrated model for wave and current-induced oscillatory soil liquefaction around an offshore pipeline

To obtain a better understanding of the oscillatory soil liquefaction around an offshore pipeline, a three-dimensional integrated model for the wave–seabed–pipeline interaction (WSPI) is proposed by combining the Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations for flow simulations and the dynamic Biot’s equation (“u-p” approximation) for the poro-elastic seabed model. Compared with previous investigations, the wave–current interaction is included in the present WSPI system. At a given time step, the wave pressure extracted from the flow model is applied on the seabed surface to determine the corresponding oscillatory seabed response around an offshore pipeline. The integrated numerical model is first validated using previous laboratory experiments. Then, a parametric study is conducted to examine the effects of flow obliquity and pipeline burial depth on the soil response around an offshore pipeline. Numerical results indicate that the soil under the pipeline is more susceptible to liquefaction at a reduced flow obliquity and pipeline burial depth. Moreover, the liquefaction depth in the case where the wave travels along the current can increase by 10%–30% compared to that in the case where the wave travels against the current, when the magnitude of the current velocity is 1 m/s.     

Dynamic Characteristics of Marine Risers Conveying Fluid

The lateral vibration differential equation for a marine riser conveying fluid is derived by useof the small deflection theory.and the effect of internal flow velocity and top tension on the natural fre-quency of the riser is studied by use of FEM.At the same time,the preliminary relationship between thenatural frequency and riser span under different internal flow velocities is obtained,the effect of riser sup-ports on the vibration frequency is computed.It is found that the natural frequency of the marine riser in-creases with the increase of top tension.however decreases with the increase of internal flow velocity.In ad-dition,the frequency decreases drastically with the increase of riser span.     

Wake model of hydrodynamic forces on pipelines

The hydrodynamic force model for pipelines presented includes flow history effects (wake effects) and time dependence in the force coefficients. These two features in the model were necessary to obtain satisfactory agreement between model predictions and full scale field measurements of pipeline forces. Conventional force models which represent adaptations of Morison's equation with ambient velocity and constant coefficients give predictions which for the lift component of the force in particular are in very poor agreement with the measurements. The parameters in the new model have been estimated on the basis of the full scale measurements and reflect a wide range of flow conditions. The model can be used in pipeline on-bottom stability design calculations for regular or irregular waves.     

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明：海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。     

长条状粗颗粒在垂直管路中最小输送速度试验研究

随着陆地金属资源的日益枯竭,深海矿产资源已经成为各国的重要战略目标。在深海采矿过程中,海底锰结核的形状除了圆球状,还有长条状等,颗粒形状对固液两相流管道输送特性具有很大影响。基于固液两相流垂直管道提升输送试验系统,探究不同工况下长条状颗粒在垂直上升流中最小输送速度的变化规律及特性,并得到了长条状群体颗粒最小输送速度计算公式。结果表明:长条状颗粒在垂直管道中上升过程中,颗粒中心轴与输送方向趋向于垂直,使颗粒在管道截面的投影面积最大化;长条状单颗粒的最小输送速度随着颗粒长径比增大而减小;在不同长径比工况下,随着管段颗粒平均浓度减小,长条状群体颗粒的最小输送速度均增大,且随着长径比增大,群最小输送速度减小。