新1海洋立管渦激振動(dòng)lou1

海洋輸流立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

報(bào)告人：婁敏導(dǎo)師：郭海燕教授研究背景研究現(xiàn)狀研究?jī)?nèi)容

1.海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)方法

2.淺水剛性立管有比尺試驗(yàn)研究

3.深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究

4.海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬

5.淺水剛性立管渦激振動(dòng)結(jié)果對(duì)比

6.深水柔性立管渦激振動(dòng)結(jié)果對(duì)比結(jié)論及建議

由于陸上石油能源危機(jī)日漸突出，海上油氣資源的開(kāi)發(fā)便凸現(xiàn)其越來(lái)越重要的地位。深海油田開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海洋立管。海洋立管是海洋平臺(tái)或鉆探船舶等水面浮式裝置與海底設(shè)備（如井口、總管等）的關(guān)鍵連接部件。海洋立管下端一般通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與海底設(shè)備相連，其上端與平臺(tái)或船舶底部的滑移節(jié)配合。

研究背景

海洋立管結(jié)構(gòu)形式有很多，如頂端張緊的立管(TTR)、自由懸掛的鋼懸鏈線立管(SCR)、惰性S立管，陡峭型S立管，惰性波浪立管、陡峭型波浪立管等。研究背景

立管所承受的海洋環(huán)境荷載主要有風(fēng)、浪、流、冰和地震荷載，其中由風(fēng)引起的波浪和海流是最主要的荷載。當(dāng)波浪和海流行經(jīng)立管時(shí)，在一定的流速下，可在立管兩側(cè)交替地形成漩渦,漩渦脫落會(huì)對(duì)立管產(chǎn)生一個(gè)周期的可變力，使得管道發(fā)生渦激振動(dòng)。當(dāng)漩渦脫落頻率與立管自振頻率接近時(shí)，漩渦的瀉放將被結(jié)構(gòu)的振動(dòng)所控制，即發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象，將引起立管的強(qiáng)烈振動(dòng)。當(dāng)管內(nèi)具有一定壓力的石油或天然氣流經(jīng)撓曲的管道時(shí)，由于管道曲率的變化和管道的橫向振動(dòng)，流體發(fā)生加速，這些加速的力作用在管道上，引起管道更加復(fù)雜的耦聯(lián)振動(dòng)。研究背景研究現(xiàn)狀渦激振動(dòng)（VIV）是深水立管設(shè)計(jì)的一個(gè)主要控制因素，該方面研究特別受到重視，每年有大量論文發(fā)表，主要集中在1）海洋立管VIV數(shù)值模擬，2）海洋立管VIV實(shí)驗(yàn)研究，3）海洋立管VIV疲勞評(píng)估技術(shù)，4）海洋立管VIV抑振技術(shù)研究現(xiàn)狀海洋立管渦激振動(dòng)模型DNV模型（Norway）LIC模型（Denmark）MARINTEK模型（Norway）

MIT-Triantafyllou模型（USA）MIT-Vandiver模型（USA）

NTH模型（Norway）UCL模型（UK）海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究室內(nèi)無(wú)比尺試驗(yàn)研究室內(nèi)有比尺試驗(yàn)研究室外無(wú)比尺試驗(yàn)研究室外有比尺試驗(yàn)研究研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀VIV疲勞評(píng)估：立管在渦激振動(dòng)的作用下易發(fā)生疲勞破壞，如何對(duì)VIV疲勞損傷及疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估也是渦激振動(dòng)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)試驗(yàn)：

G.S.Baarholm、C.M.Larsen（1997）【36】等人在挪威的Hanoytangen進(jìn)行了大比尺的海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)，立管模型長(zhǎng)90米，直徑為3厘米，試驗(yàn)中對(duì)立管彎曲應(yīng)變、張力、流速等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：在低流速下，由張力決定模態(tài)的立管疲勞損傷中，順流向振動(dòng)同橫向振動(dòng)同等重要，而在高流速下，由彎矩決定模態(tài)的立管疲勞損傷中，橫向振動(dòng)起主要作用；根據(jù)數(shù)值數(shù)值模擬：FranciscoE.Roveri與J.KimVandiver（2001）【38】利用渦激振動(dòng)分析軟件SHEAR7對(duì)渦激振動(dòng)引起的疲勞破壞進(jìn)行了詳細(xì)的研究，其主要考慮流速、管道拉力、鎖振范圍、單階/混階響應(yīng)及連接應(yīng)力等問(wèn)題VIV抑制技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外研究管內(nèi)流體流動(dòng)大多集中在陸上管道，而內(nèi)流對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)研究較少。因此，考慮管內(nèi)流體流動(dòng)及管外海洋環(huán)境共同作用的海洋立管試驗(yàn)、理論研究，不僅有重要的科學(xué)意義，在工程上亦有較大的應(yīng)用價(jià)值。研究現(xiàn)狀研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法1.淺水剛性立管有比尺渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究：取實(shí)際工程中的立管參數(shù)包括立管長(zhǎng)度、直徑、壁厚、材料，并取中國(guó)渤海海域的水深、海流等海洋環(huán)境參數(shù)，通過(guò)相似分析，將工程中的海洋立管縮放到試驗(yàn)水槽中，重點(diǎn)考察管內(nèi)流體對(duì)立管動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)的影響、在海流作用下立管順流向及橫向動(dòng)力響應(yīng)，并采用S-N曲線法對(duì)立管進(jìn)行疲勞壽命分析。相似分析：立管在海中的長(zhǎng)度為21米，由于試驗(yàn)水槽的有效水深僅為0.7米，因此在模型試驗(yàn)中幾何比尺取為30。由于采用重力相似理論，模型試驗(yàn)中的速度比尺及時(shí)間比尺為5.5。外徑(mm)壁厚(mm)立管長(zhǎng)度（水下部分）(m)立管長(zhǎng)度（水上部分）(m)材料323.911.12115API5LX65重現(xiàn)周期位置3個(gè)月6個(gè)月1年50年表層(m/s)0.99①1.03②1.55③2.15④中層(m/s)0.981.021.261.95底層(m/s)0.840.872.151.60外徑(mm)壁厚(mm)立管長(zhǎng)度（水下部分）(m)

立管長(zhǎng)度（水上部分）(m)

材料1060.70.5有機(jī)玻璃實(shí)際工況①②③④試驗(yàn)流速0.180.310.38研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法2.深水柔性立管無(wú)比尺渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究：采用橡膠管作為立管模型，變化管內(nèi)流體流速(0、3.5、5.5、7.2m/s)及管外流速(0.2~0.6m/s)，使得立管在一階及二階自振頻率處發(fā)生“鎖振”，考察內(nèi)流對(duì)立管動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)的影響、立管順流向及橫向渦激振動(dòng)響應(yīng)、立管順流向振動(dòng)與橫向振動(dòng)關(guān)系。水下長(zhǎng)度水上長(zhǎng)度外徑內(nèi)徑管材0.7m0.5m10mm7mm橡膠研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法3.試驗(yàn)設(shè)備

圖2-5風(fēng)－浪－流聯(lián)合水槽圖2-6試驗(yàn)水泵

研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法圖2－8試驗(yàn)鐵架圖2－9固接接頭示意圖研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究方法圖2-10數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖2－11多譜勒測(cè)速儀

研究?jī)?nèi)容——淺水剛性立管有比尺試驗(yàn)研究圖3-1管內(nèi)外無(wú)水時(shí)敲擊試驗(yàn)功率譜

圖3-2管外充水管內(nèi)無(wú)水時(shí)敲擊試驗(yàn)功率譜

圖3-3管內(nèi)有水管外無(wú)水時(shí)敲擊試驗(yàn)功率譜

3-4管內(nèi)外有水時(shí)敲擊振動(dòng)功率譜（內(nèi)流流速V=0m/s）1.動(dòng)力特性圖3-1～3-4分別為立管在管內(nèi)外無(wú)水、管內(nèi)無(wú)水管外有水、管內(nèi)有水管外無(wú)水、管內(nèi)外有水且內(nèi)流流速V=0m/s應(yīng)變信號(hào)功率譜圖，從圖中可以得到相應(yīng)的自振頻率，分別為12.3Hz，8.6Hz，9.9Hz及7.2Hz，即立管在管內(nèi)外無(wú)水時(shí)自振頻率最高，而在管內(nèi)外有水時(shí)自振頻率最低，這是由于管內(nèi)充水增加了立管系統(tǒng)的質(zhì)量，而管外充水使得立管增加了流體附加質(zhì)量，因此使得立管自振頻率降低。研究?jī)?nèi)容——淺水剛性立管有比尺試驗(yàn)研究圖3-5管內(nèi)外有水時(shí)敲擊振動(dòng)功率譜圖3-6管內(nèi)外有水時(shí)敲擊振動(dòng)功率譜（內(nèi)流流速V=0.15m/s）（內(nèi)流流速V=0.25m/s）圖3-4～3-6分別為立管在管內(nèi)外有水且內(nèi)流流速V=0m/s、0.15m/s及0.25m/s時(shí)應(yīng)變信號(hào)功率譜圖，其自振頻率均為7.2Hz，這是由于實(shí)際工程中立管較短，剛度較短，且管內(nèi)流速不大，所以，管內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)立管動(dòng)力特性影響不明顯。

研究?jī)?nèi)容——淺水剛性立管有比尺試驗(yàn)研究2.動(dòng)力響應(yīng)按照2.2.1中試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將立管模型置于水槽中，考察立管模型在海流（U=0.18,0.31,0.38m/s）作用下渦激振動(dòng)響應(yīng)。試驗(yàn)中，為考察內(nèi)流對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)的影響，對(duì)每種試驗(yàn)工況分別取三種內(nèi)流流速V=0m/s、0.15m/s及0.25m/s?？梢钥闯觯鳛橥饧蛹?lì)荷載，外流對(duì)立管振動(dòng)起決定作用，隨著外流流速的增加，不管是立管順流向振動(dòng)，還是立管橫向振動(dòng)，都有大幅的增加。比如位置3處立管橫向振動(dòng)幅值，在外流流速0.18m/s、0.31m/s及0.38m/s時(shí)，分別為2、80及145。

立管模型在海流的作用下，橫向振動(dòng)響應(yīng)明顯比順流向動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)烈.

f.位置3處橫向振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線及功率譜圖圖3-11海洋立管模型動(dòng)力響應(yīng)（外流流速U=0.38m/s，內(nèi)流流速V=0.25m/s）U=0.38m/sV=0.25m/s3#順流向橫向研究?jī)?nèi)容——淺水剛性立管有比尺試驗(yàn)研究3.疲勞壽命分析1.隨著內(nèi)流流速的增加，立管自振頻率，包括一階自振頻率并二階自振頻率都降低。這與Houser的研究結(jié)果“管內(nèi)液體的流動(dòng)可以降低管道的固有頻率”一致。研究?jī)?nèi)容——深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究

2.當(dāng)漩渦脫落頻率與立管自振頻率相吻合時(shí)，立管發(fā)生“鎖振”現(xiàn)象，立管振動(dòng)強(qiáng)烈且振動(dòng)頻率鎖定在立管自振頻率附近。研究?jī)?nèi)容——深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究3.管內(nèi)流體流動(dòng)使得渦激振動(dòng)頻率降低、振幅增加。

柔性立管渦激振動(dòng)響應(yīng)（U=0.21m/s）研究?jī)?nèi)容——深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究V=0V=3.5m/sV=5.5m/sV=7.2m/sU=0.21m/s3#4.順流向振動(dòng)與橫向振動(dòng)軌跡呈現(xiàn)“8”字型，隨著內(nèi)流流速的增加，振動(dòng)軌跡更加穩(wěn)定。研究?jī)?nèi)容——深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究研究?jī)?nèi)容——深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究5.管內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)立管振動(dòng)相關(guān)性的影響管道振動(dòng)的相關(guān)性通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)描述，相關(guān)系數(shù)愈高，其相關(guān)性愈強(qiáng)。

研究?jī)?nèi)容——深水柔性立管無(wú)比尺試驗(yàn)研究研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬渦激振動(dòng)作用力研究?jī)?nèi)容——海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比——淺水剛性立管

a.位置1處時(shí)程曲線b.位置1處振動(dòng)頻率淺水剛性立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(U=0.31m/s)結(jié)果對(duì)比——淺水剛性立管

c.位置2處時(shí)程曲線d.位置2處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——淺水剛性立管

e.位置3處時(shí)程曲線e.位置3處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——淺水剛性立管管內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)淺水剛性立管渦激振動(dòng)的影響U=0.31m/s

a.位置1處時(shí)程曲線b.位置1處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——淺水剛性立管c.位置2處時(shí)程曲線d.位置2處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——淺水剛性立管e.位置3處時(shí)程曲線f.位置3處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——深水柔性立管

a.位置1處時(shí)程曲線b.位置1處振動(dòng)頻率深水柔性立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(U=0.21m/s)結(jié)果對(duì)比——深水柔性立管c.位置2處時(shí)程曲線d.位置2處振動(dòng)頻率

結(jié)果對(duì)比——深水柔性立管e.位置3處時(shí)程曲線f.位置3處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——深水柔性立管a.位置1處時(shí)程曲線b.位置1處振動(dòng)頻率深水柔性立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬中內(nèi)流對(duì)渦激振動(dòng)的影響(U=0.21m/s)結(jié)果對(duì)比——深水柔性立管c.位置2處時(shí)程曲線d.位置2處振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比——深水柔性立管e.位置1處時(shí)程曲線f.位置1處振動(dòng)頻率本文結(jié)論本文以海洋輸流立管為研究對(duì)象，考慮管內(nèi)流體流動(dòng)及管外海洋環(huán)境的共同作用，對(duì)淺水剛性立管進(jìn)行了有比尺渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究，對(duì)深水柔性立管進(jìn)行了無(wú)比尺渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究；采用能量守恒原理建立了立管振動(dòng)方程，并用Matteoluca尾流振子模型來(lái)模擬流體對(duì)立管的渦激振動(dòng)作用力，求解立管渦激振動(dòng)響應(yīng)，編制計(jì)算程序，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論：淺水剛性立管試驗(yàn)：對(duì)于淺水剛性海洋立管，立管較短，剛度較大，且管內(nèi)流速不大，所以，管內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)立管動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)影響不明顯。立管模型在海流的作用下，橫向振動(dòng)響應(yīng)明顯比順流向動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)烈。疲勞壽命分析表明隨著外流流速的增加，立管疲勞壽命減小且立管兩端及中部容易發(fā)生疲勞破壞。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別不大；數(shù)值模擬中內(nèi)流對(duì)立管渦激振動(dòng)影響不明顯，與試驗(yàn)結(jié)果一致。本文結(jié)論深水柔性立管試驗(yàn)：隨著內(nèi)流流速的增加，立管自振頻率，包括一階自振頻率并二階自振頻率都降低。這與Houser的研究結(jié)果“管內(nèi)液體的流動(dòng)可以降低管道的固有頻率”一致。當(dāng)漩渦脫落頻率與立管自振頻率相吻合時(shí)，立管發(fā)生“鎖振”現(xiàn)象，立管振動(dòng)強(qiáng)烈且振動(dòng)頻率鎖定在立管自振頻率附近；順流向振動(dòng)頻率為橫向振動(dòng)頻率的兩倍。隨著管內(nèi)流體流速的增加，渦激振動(dòng)頻率降低、振幅增加；其振動(dòng)軌跡愈加規(guī)整，在不同的運(yùn)動(dòng)周期中，其軌跡基本相同；且立管不同位置處的振動(dòng)相關(guān)性減弱。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在振動(dòng)頻率方面偏差不大，在幅值方面，數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏大；數(shù)值模擬中內(nèi)流對(duì)深水柔性立管渦激振動(dòng)振動(dòng)幅值與振動(dòng)頻率的影響規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果一致。存在的問(wèn)題及進(jìn)一步研究的建議本文雖然海洋輸流立管的動(dòng)力特性和渦激振動(dòng)響應(yīng)做了一些研究工作，也得到了一些有用的結(jié)論，但仍存在一些問(wèn)題，主要有一下幾個(gè)方面：1.在試驗(yàn)中，只在立管上部無(wú)水處布置應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，沒(méi)有在水下立管部分布置應(yīng)變片，無(wú)法得到立管振型。建議在今后的試驗(yàn)中，對(duì)水下立管部分也進(jìn)行測(cè)量，使得立管振動(dòng)數(shù)據(jù)更全面。2.只是考慮了二維的橫向渦激振動(dòng)，沒(méi)有考慮順流向的振動(dòng)。事實(shí)上，橫向和順流向的振動(dòng)也是相互耦合相互影響的。應(yīng)繼續(xù)研究它們之間的耦合關(guān)系，分析橫向升力振子和順向阻尼系數(shù)的相互聯(lián)系。3.實(shí)際工程中，采用一些繞流裝置以減弱渦激振動(dòng)的影響，在今后的試驗(yàn)中可以考察不同繞流裝置的抑制效果。4．本文對(duì)深水柔性立管進(jìn)行的是無(wú)比尺渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究，在今后的試驗(yàn)中，可在深水實(shí)驗(yàn)室考慮深水柔性立管有比尺試驗(yàn)研究。攻讀博士期間撰寫(xiě)論文1．Numeri