海洋立管渦激振動頻域和時域預報方法研究.pdf

1、隨著海洋石油開采不斷向深海發(fā)展,立管的安全性對于石油工業(yè)的發(fā)展以及海洋環(huán)境的維護至關重要。洋流中立管兩側交替泄渦引起的渦激振動現(xiàn)象是立管疲勞損傷的主要因素,嚴重威脅著立管的安全。因此,準確的估算立管在實際海洋環(huán)境中的渦激載荷及動力響應,不斷優(yōu)化立管的結構設計一直是海洋工程領域中的重要課題。
　　本文首先開展了系列海洋立管模型實驗,通過高雷諾數(shù)下剛性圓柱體強迫振蕩實驗研究,為頻域和時域預報模型提供高雷諾數(shù)升力系數(shù)數(shù)據(jù)庫,提高實尺度立

2、管渦激振動響應預報精度;同時,通過柔性立管在均勻流和剪切流下自激振蕩實驗,研究立管主導模態(tài)的時域特性;然后利用頻域方法對立管模型渦激振動響應進行預報、并與實驗結果進行對比,探究頻域方法的適用性和局限性;最后本文提出了一種半經驗性的時域預報方法,期望解決立管遇到的變軸向力、立管-土壤耦合等非線性問題,并將時域預報結果與實驗結果進行了對比。論文內容主要包括以下幾個方面:
　　1.對均勻來流下剛性圓柱體做不同幅值和頻率強迫振蕩時的水動力

3、特性進行了實驗研究,得到了升力系數(shù)、阻力系數(shù)和相位角等與無因次振蕩頻率、振幅之間的關系曲線,從而為頻域和時域預報模型提供高雷諾數(shù)升力系數(shù)數(shù)據(jù)庫,提高實尺度立管渦激振動響應預報精度;并通過對比本試驗數(shù)據(jù)與低雷諾數(shù)試驗數(shù)據(jù)得到了在亞臨界區(qū)域雷諾數(shù)對渦激振動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),在亞臨界區(qū)域,雷諾數(shù)對渦激振動特性的影響很小,因此用低雷諾數(shù)試驗數(shù)據(jù)來預報實際海洋環(huán)境下的立管渦激振動是合理的,但只限于實際海洋環(huán)境的雷諾數(shù)處于亞臨界區(qū)域的情況。

4、r>　　2.通過拖曳試驗和旋轉實驗模擬了立管模型在均勻流和剪切流下的渦激振動響應情況,分別利用模態(tài)疊加法和小波方法對兩種流場下立管在橫向和流向上的幅值響應特性和主導頻率的時域響應特性進行了分析;此外,本文還利用逆有限元方法將柔性立管位移響應作為輸入條件計算出了附加質量系數(shù)在立管上的分布情況,期望能夠對頻域和時域經驗模型中附加質量系數(shù)的選擇提供科學依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象,對于均勻流工況,雖然流向上的主導模態(tài)對應的固有頻率并不是橫向

5、上2倍,但是兩個方向上的鎖定頻率卻總是呈2倍關系,原因可能在于流向和橫向上的附加質量系數(shù)能夠自己調整、直至兩個方向上的主導模態(tài)對應的固有頻率正好為2倍關系;此外,無論在均勻流還是在剪切流工況下,均發(fā)現(xiàn)了主導模態(tài)的“間歇”特性,在剪切流中該性質則更加明顯,對于這種工況,頻域方法已經基本不再適用。
　　3.對頻域理論預報過程進行了詳細的闡述,并利用頻域方法對均勻流和剪切流工況下的柔性立管渦激振動進行了預報。與試驗結果進行對比發(fā)現(xiàn),對于

6、剪切流下單模態(tài)渦激振動,頻域方法十分適用,預報準確度很高;但是對于均勻流工況和剪切流下多頻耦合工況,頻域理論預報結果比較差。此外,本文還通過頻域數(shù)值計算方法研究發(fā)現(xiàn),軸向預張力對立管渦激振動的模態(tài)和幅值都會產生較大的影響,從而可以推斷出渦激振動導致的軸向力變化會進行反饋、對渦激振動響應又產生影響,而且影響極有可能不可忽略;因此,對于剪切流單模態(tài)渦激振動宜采用頻域方法,對于均勻流、剪切流多模態(tài)以及考慮變軸向力等非線性因素時,則需要研究新的