子母管结构中海缆涡激振动特性研究

采用流固耦合分析方法,对某海洋石油开采项目采用的子母管结构进行涡激振动特性研究,并与相同海缆在自由悬跨状态下振动特性进行比较。数值仿真结果显示,受母管影响,子母管中海缆由于涡街效应产生的升力振幅随时间变化不一致,而单根海缆升力幅值稳定;子母管中海缆产生的拖曳力高出单根海缆65%,振动幅值加大,并且沿整根海缆尾流中湍动能分布呈现随机性,导致水动力沿整根海缆分布不均匀。提取海缆升力与垂直水流方向振幅进行比较,发现涡激升力是导致垂直方向振动的主要原因。子母管中海缆在水流阻力和涡激升力共同作用下产生较大的位移和应变,应进一步调整夹具间距和剩余张力来减缓海缆疲劳损伤。     

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.     

多频参激—涡激联合作用下顶张力立管分岔分析

复杂海洋环境中,顶张力立管顶部平台受到不同分量叠加的波浪作用,导致其轴向张力与多个频率相关,系统产生多频参激与涡激的联合振动,其动力学行为变得更为复杂,尤其是分岔和混沌等非线性振动特性有待进一步分析。首先,基于欧拉—伯努利梁理论,引入范德波尔尾流振子,建立和推导受多频参激—涡激联合作用下立管的动力学模型及其运动微分方程;接着,利用伽辽金法得到离散后的常微分方程组,采用多尺度法得到系统共振响应的调谐方程;最后,通过数值算例探究系统在多源和多频载荷联合作用下的共振响应。结果表明：对于多频参数激励,其中一个参数激励幅值在立管振动中起主导作用,而另一个会引起分岔的位置、数量和性质发生改变;随质量—阻尼参数增大,系统共振响应幅值整体先增大后减小,各分岔点出现的位置整体先向泄涡频率较大处移动,随后向泄涡频率较小处移动;质量—阻尼参数的变化还可能诱使系统发生倍周期分岔和混沌现象,危害结构安全。此外,采用直接数值积分求解微分方程组,验证近似分析结果,两者吻合较好。     

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。     

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。     

非均匀流中立管涡激振动模型预测分析

文中分析了非均匀流中,张紧式海洋立管的涡激振动,采用新的加速度耦合尾流振子模型作为预测细长海洋工程柔性结构的计算工具,将预测结果中的横向位移包络线及最大幅值与实验观测值、shear7软件计算值进行了对比,可以发现模型的计算结果与实验观测结果吻合得很好.     

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。     

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。     

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。     

Dynamic interaction between two parallel submarine pipelines considered vortex-induced vibration and local scour

Abstract

The mechanism of local scour under two vibrating pipelines is investigated numerically in this research. A sediment scour model is adopted to estimate the motion of sediment. The general moving objects model, which is dynamically coupled with fluid flow, is set up to simulate the vortex-induced vibration (VIV) of the pipeline. The sediment scour model and pipeline vibration model are verified with the previous experimental results and show good agreement. Then, the coupling effects between the pipeline vibration and the local scour are investigated numerically. The effects of G/D (the ratio of the distance between the two pipelines to the diameter of the pipelines) on the local scour and the VIV of the pipeline are examined. The results indicate that the maximum scour depth under the vibrating pipelines is much larger than the scour depth under the fixed pipelines. Due to the shadowing effect of the upstream pipeline, the maximum scour depth under the upstream pipeline is deeper than that under the downstream pipeline. The pipeline vibration magnitude is closely related to the strength of the vortex that sheds behind the pipeline. The effect of G/D on the shape and strength of the vortices that shed behind the pipelines is significant.     

波流共同作用下珊瑚礁冠层附近平均流分布及阻力特性试验

本文通过物理模型试验研究了波流共同作用下珊瑚礁冠层附近平均流的分布特征以及阻力特性,分析了典型波浪工况下无潮流、正向潮流和反向潮流分别作用下平均流速、摩阻流速、阻力系数的沿礁变化规律。结果表明：无潮流时礁前斜坡及外礁坪上存在海底回流且在礁缘附近回流最强,在礁坪上冠层附近平均流表现为向岸流,且该流沿礁向海岸方向持续增大。相较于无潮流时,正向潮流作用下冠层内外均为向岸流,在礁坪上冠层内外的向岸流显著增大;反向潮流作用下冠层内外均为离岸流且在礁缘处达到最大,该离岸流在礁坪上逐渐减小然后趋于稳定。无潮流时礁坪上摩阻流速呈小幅波动;相较于无潮流时,正向潮流、反向潮流影响下礁坪上摩阻流速显著增大,其中正向潮流影响下增幅更大;无潮流时礁坪上水力粗糙度沿礁减小,正向潮流和反向潮流影响下水力粗糙度普遍有幅度不等的增加。三种工况下礁坪上的阻力系数均沿礁整体呈下降趋势,相较于无潮流时,正向潮流和反向潮流影响下礁坪上的阻力系数显著增大,且正向潮流作用时增幅更大。     

Effect of Peak Perforation on Flow Past A Conic Cylinder at Re=100: Drag, Lift and Strouhal Number

A flow past a circular-section cylinder with a perforated conic shroud, in which the perforation is located at the peak of the conic disturbance as the shroud installed on the cylinder and uniformly distributed with several circular holes, is numerically simulated at a Reynolds number of 100. Two factors in the perforation are taken into account, i.e. the attack angle relative to the direction of incoming flow and diameter of holes. The effect of such perforation on the drag, lift and vortex-shedding frequency is mainly investigated. Results have shown that variation of the attack angle has a little effect, especially on the drag and vortex-shedding frequency, except in certain cases due to the varied vortex-shedding patterns in the near wake. The increasing hole diameter still exhibits a little effect on the drag and frequency of vortex shedding, but really reduces the lift, in particular at larger wavelength, such as the lift reduction reaching almost 66%–68% after introducing the perforation.     

不同排列方式和间隙比下双圆柱流致振动特性研究

采用基于ALE的流固耦合分析方法,将圆柱体振动模型简化为平面双自由度质量-弹簧-阻尼系统,进行了计算参数无关性分析。对不同θ角和间隙比T下的双圆柱流致振动进行数值模拟,并与单圆柱振动计算结果进行比较,得到了不同θ角和间隙比T下中心圆柱的升阻力系数、流场分布和运动轨迹变化情况。通过分析发现小间隙比下由于两圆柱间的相互干扰,改变了中心圆柱的尾涡结构,导致了升力和阻力系数随不同θ角而发生变化;小间隙比下由于两圆柱间的相互干扰影响,均使中心圆柱的轨迹在不同θ角下发生了较大的变化,顺流向的振动频率与单圆柱振动时相比出现了多倍频,导致其运动轨迹发生了变化。     

Calibration of estuarine current crosses

Tethered current crosses are simple, reliable tools in making measurements of estuarine currents in the absence of surface waves. The standard error of the estimate of current speed is less than 5 cm s^?1 for the particular crosses and weights used in a calibration experiment. The useful velocity range of these current crosses was 8–147 cm s^?1, corresponding to a measured angle, α, from 2° to 30°. Regression of the independently measured current speed on $\text{(tan α)}{}^{\mathrm{<mtext>1</mtext><mtext>2</mtext>}}$ yielded coefficients of determination greater than 0·94, indicating that the drag coefficient is not a function of current speed. However, the calculated drag coefficients varied widely from 0·66 to 2·55, depending on the particular combination of cross and weight, varying drastically from the commonly assumed drag coefficient value of 1·12. Thus, in using current crosses, it is imperative to calibrate each cross against a current meter reading to determine an appropriate value for the drag coefficient for a particular current cross and weight.     

Behavior of vortex-induced vibration of a circular cylinder near a deformable wall with two degrees of freedom in steady flow

The behavior of vortex-induced vibration of a two-degree-of-freedom cylinder near a deformable wall in steady flow is investigated experimentally.The typical phenomenon of the two-degree-of-freedom cylinder’s VIV is discussed.The influences of initial gap between the cylinder and the wall on the dynamic responses of the cylinder are analyzed.The comparison is made about dynamic responses of the cylinder with one and two degrees of freedom.Experimental results show that the vibration of the cylinder near a deformable wall with a small value of initial gap-to-diameter ratios can generally be divided into two phases.The initial gap-to-diameter ratios have a noticeable influence on the occurrence of transverse vibration.The transverse maximum amplitude of the cylinder with two degrees of freedom is larger than that of the cylinder with one degree of freedom under the condition with the same values of other parameters.However,the vibration frequency of the cylinder for the two degrees of freedom case is smaller than that for the one degree of freedom case at the same value of Vr number.     

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。     

Experimental Study on Vortex-Induced Vibrations of Submarine Pipeline near Seabed Boundary in Ocean Currents

1 .IntroductionThe submarine pipeline is a commonfacility widely usedfor offshore oil and gastransport . Whena pipeline is installed on a seabed and not buried,unsupportedspans may exist insomelocations ,es-peciallyinthe uneven zones of the seabed.The spa…     

不同水深处人造海洋上升流和海洋渔场及相关技术研究

介绍了国内外在不同水深海域实施人造海洋上升流工程的现状;分析并研究了形成人造海洋上升流的机理及与渔业资源增值和海洋生态环境改善之间的关系;分析并研究了不同水深人造海洋上升流工程的建筑和投放技术;分析并研完了与人造海洋上升流工程相关的一些问题及解决这些问题的途径?结论是：人造海洋上升流工程在增值渔业资源和改善海洋生态环境方面是很有发展前景的。