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涡激力作用下过河管道的动力响应分析 摘要 近年来，过河管道不断的铺设，越来越多的用于城市供水，发挥着日益重要的作用。 由于过河管道大部分埋设在河底，不便于平时的维护及破坏时的抢修，而且抢修会造成阻 航等许多损失。所以，研究过河管道在使用时的力学性状，对于预防过河管道的破坏有着 重要的意义。 当水流冲刷过河管道管壁时，会在管道后面形成交替的漩涡发放，产生对管道的横向 涡激升力和顺流向的拖曳力的作用。为了研究涡激力的性质，本文利用软件建模分析。在 前人的实验数据的基础上，通过与实验实测数据的对比，验证了s s t k - c o 模型用于紊流状 态下模拟近壁处圆管绕流计算的适用性。利用s s tk - 模型计算了不同间隙比下过河管道 的涡激力的时程变化曲线并且通过对涡激力的频率分析，讨论了涡激力的频率、平均值及 波动幅值与间隙比的关系，以及涡激升力和涡激拖曳力在管跨破坏中不同的作用。 在综合考虑过河管道管跨周围实际环境的基础上，利用软件建立了分析过河管道管跨 的数值模型，通过对管跨模型进行模态分析，讨论了管跨支座形式、间隙比、跨长对管跨 自振频率的影响，并总结出影响管跨自振频率的主要因素。 管跨的涡激振动是水流和管跨相互作用的需要考虑流固耦合的复杂的现象，在总结文 献资料的基础上，归纳了尾流振子模型的求解方法。利用本文建立的管跨模型以及计算出 的涡激力的频率，从控制管跨长度以避免发生涡激共振的角度出发，讨论了在管跨形成过 程中，即河底管道被河流冲刷，管跨长度不断变长，间隙比不断增大过程中，管跨极限跨 长的计算。针对已有的求极限跨长考虑的因素较少的情况，利用数值模型，分析了管跨支 座形式，间隙比对极限跨长的影响。 关键词：绕流；涡激力；管跨模型；涡激振动；极限跨长 t h ea n a l y s i so fd y n a m i c r e s p o n s eo fp i p e f i n eu n d e r v o r t e x i n d u c e df o r c e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p i p e l i n e sc r o s s i n ga r eu s e dal o ti nw a t e rs u p p 炒i nc i t y , t h ep i p ea r ep l a y i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l e s i n c et h em a j o r i t yo fp i p e sa r eb u r i e di nt h er i v e r b e d ，t h eu s u a lm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r s a r en o tc o n v e n i e n t ，a n dt h e r ew i l lb eal o to fl o s tw h e nr e p a i rs u c ha sr i v e rr e s i s t a n c e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr i v e r p i p e si sv e r yi m p o r t a n t t h ee d d yb e h i n dt h ep i p ef o r mf o r c e sw h i c ha r ed o w n s t r e a md i r e c t i o na n dt r a n s v e r s ed i r e c t i o n f o rt h e s a k eo fs t u d y i n gt h ep r o p e r t i e so fv o r t e x i n d u c e df o r c e , t h em m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e du s i n g f l u e n t o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ec o r r c c t n e s so fs i m u l a t i o nr e s u l to fs s tk - om o d e li sv e r i f i e d u s i n gs s tk - om o d e l , t h ep h e n o m e n o no fr i v e rf l o wa r o u n dt h ep i p ei ss i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo fg a pr a t i o i ss t u d i e d b ys p e c t r a la n a b ，s i s ，t h eg a pr a t i oa f f e c t so i lf r e q u e n c yo f v o r t e x - i n d u c e df o r c ei sd i s c u s s e d c o n s i d e r i n ge n v i r o n m e n to fp i p e l i n e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fp i p e i se s t a b l i s h e du s i n g a b a q u s t h ei n f l u e n c e so f c o n s w a i n t ，g a pr a t i o ，s p a n 玉e n g t ha f f e c to nv i b r a t i o nf r e q u e n c ya r ea n a l y z e d t h e m a j o rf a c t o rf o r t h ep i p en a t u r a lf r e q u e n c i e si ss u m m e du p t h ev o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o ni sav e r yc o m p l i c i tp h e n o m e n o nn e e d i n gt oc o n s i d e rt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e np i p ea n dr i v e r u si n gt h en u m e r i c a lm o d e l s ，t h ei n f l u e n c e so fc o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，g a pr a t i o ，s p a n l e n g t ha f f e c to nl i m i t e ds p a na r ed i s c u s s e d k e yw o r d ：o v e r f l o w ；v o r t e x - i n d u c e df o r c e ；v o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o n ；l i m i ts p a n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏苤堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：寐淮 签字日期： 2 。f d 年3 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝至三盘堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：俞浓 导师签名： 签字日期： 叫d 年3 月f 2 日 期：砂年弓月夕日 致谢 本文是在导师张土乔教授的悉心指导下完成的，逐字逐句都凝聚着导师的心血。导师 深厚的学术造诣，严谨的治学态度、一丝不苟的工作态度、开阔的社会视野以及积极的创 新精神，令我终生难忘。从导师身上学到的专业与社会知识将使我终生受益。就读期间， 导师为我创造了良好的研究条件，给予了无微不至的关心和帮助，让我感激不尽。在此， 谨向导师及全家致以最诚挚的感谢和深深的敬意。 在攻读硕士期间，我有幸得到了很多老师、同学和朋友的帮助。感谢俞亚南教授、王 紫雯教授、张仪萍副教授、邵卫云副教授、柳景青副教授、张燕副教授、俞亭超副教授、 杨玉龙博士、邵煜博士、周永潮博士、方磊博士、申永刚博士等老师曾给予的帮助和指导。 特别感谢邵煜博士在软件计算方面给予的帮助。感谢杨德军博士、王鸿翔博士、吴为义博 士、谢家华硕士，及在读的吴众华、郭帅、宋瑞平、陈永民、沈承、郭诗文、虞介泽、杨 艳、金俊武等同门师兄弟( 姐妹) 提供了诸多便利或是有益的启发。感谢市政所的莫伟丽、 吴赛男、周胤、牛辉、张巍、王洋、饶勤波等提供的支持和帮助。感谢同实验室的刘思远、 黄佐之、蒋伟、刘伟超等提供的帮助。感谢好友谢道清硕士、张瑞硕士、刘润生硕士等给 予我的帮助和支持。感谢好友莫青对我的关心和帮助。 最后，我要把我的一份特别的感谢献给我的家人，在我的多年求学生涯中，我的每一 点成绩的取得，都和他们的无私支持和鼓励分不开。 喻志洁 2 0 1 0 年3 月于求是园 第一章绪论 摘要：论述了过河管道在城市供水中的广泛应用和重要作用、过河管道在运行中存在的主要 问题、以及过河管道发生破坏时可能会造成的损失，提出了研究过河管道所受涡激力 及管道力学性状的重要意义；根据文献，综合论述了过河管道的类型和施工方法，以 及各种施工方法适用的条件；讨论了倒虹式过河管道形成管跨的原因；总结了国内外 研究涡激力及涡激振动的主要研究成果和研究现状；提出了本文的主要研究内容和分 析过河管道受力及振动特性的方法与技术路线。 关键词：过河管道；倒虹式管；架空式管；管跨 1 1 引言 过河管道在城市供水中发挥着越来越重要的作用。2 0 0 9 年1 1 月，第一条穿 越淮河的自来水供水管道开始铺设，该管道全长2 2 千米，其中河段工程总长度 9 0 0 余米，从地下穿越河床的长度6 6 0 米左右。2 0 1 0 年珠海市铺设的过河管道供 水钢管将穿越3 2 7 米宽的前山河河底，过河管总长约7 0 0 米，其中穿越前山河管 段约5 0 0 米。在浙江舟山引水工程中，大陆引水工程的主体工程采用海底供水管 线，输水管线全长6 7 k m ，管径l m ，其中跨海段为3 6 4 千米长的钢管，工程于 1 9 9 9 年8 月开工建设，2 0 0 1 年8 月完成海上段钢管敷设，2 0 0 2 年1 2 月完成舟 山陆上段建设，2 0 0 6 年8 月完成宁波陆上管道和李溪渡泵站，工程全线具备通 水条件。舟山市大陆引水二期工程输水线路全长为5 3 9 7 千米，其中宁波陆上管 线长为2 0 8 6 6 千米，为p c c p 管和钢管，管径为d n l 6 0 0 毫米，单管布置；跨 海管线为2 根管径d n l 2 0 0 毫米的钢管，布置为南线和北线两条，长度分别为 3 3 0 7 千米和3 3 1 0 千米。可以看出，近年来，过河和海底管道在城市供水中发 挥的作用越来越大。 过河管道或者海底管道在石油、天然气输送中也发挥着重要作用。自从1 9 3 6 年美国布朗一路特( b r o w n - r o o t ) 公司在加尔沃斯顿铺设世界上第一条海底管道 以来，至今已完成了近万公里的海洋管道工程，最大管径达1 4 2 2 4 毫米，最大 铺设水深达5 6 0 米。虽然我国海底管道运输起步较晚，但近几年来有了较大的发 展，1 9 8 5 年我国渤海湾按国际标准和通用做法建成了第一条埕北油田海底输油 管道，之后b z 2 8 一l 油田、b z 一3 4 2 4 油田和j z 一2 0 2 油田等海底管道相继 建成。最近我国南海崖1 3 一l 气田进入开发阶段，拟建一条通向香港的长8 0 0 千 米、管径7 1 0 毫米的海底输气管道，及一条通往海南岛的长1 0 0 千米、管径为 3 5 5 毫米的海底混输管道 1 】。 利用过河管道或者海底管道输送油、气、水比用交通运输更为方便和可靠。 首先运输的连续性很好，一经投入运转后，运输可连续不断的进行，减少了中问 装卸、转运过程的时间耽搁，其运输能力远远大于陆运和水运；其次，管道运输 是密闭的，可以大大减少运输过程中的损失；再次，管道运输几乎可以不受水深、 地形、海况等条件限制，能高效、安全地完成油( 气) 的输送。据统计 2 1 ，管道 ( d 7 0 0 毫米) 输送石油每吨公里的成本，只为海运的二分之一，为铁路运输 的四分之一；其能源消耗只为海运的四分之一，为铁路运输的三分之一。而且在 事故率上，管道输送比公路运输，铁路，水运都要小，只有2 。 目前我国石油输送管道约有6 0 0 0 余千米，其中，穿越河流的水下管道约占 2 ( 约1 2 0 千米左右) 。但这些水下管道过去在施工时，大多未能达到设计要求， 致使管道覆盖层的厚度，随着使用年限的增加和水流的冲刷而逐渐变薄。并且有 的地方造成水下悬空现象。管道损坏事故时有发生，造成了一定的经济损失和环 境污染。如中宁县白马乡的输油管道于1 9 7 8 年建成【3 1 ，管道上方有大量防护物， 造成阻航，1 9 8 8 年管道破裂，在原管道上游2 0 0 米处又新建一条输油管道，因 未按设计标准施工，造成阻航。一般水面宽度在1 0 0 米以下的河流，其所设的穿 越管线在陆上均无备件。由于在抢修过程中，对管线要实施暂时封堵，而封堵时 间长短，直接影响到原油的凝结程度，如果封堵时间过长，造成不能正常输油， 其经济损失将是巨大的，所以，提前预测管道可能的破坏，做好防护措施，是很 有必要的。 对于输油管道管线漏油现象，一般多采用的是小段封堵，同时另接旁通管道， 以保证管线在抢修时能正常营运。但目前我国对河流穿越管线的断裂抢修，尚缺 乏专门的研究和与之相适应的具体设施【4 1 。据国外报道，输油管线在使用1 5 年 以上a t 5 1 ，即已达到损坏危险期。我国应参照国外情况，并建议有关部门采取必 要措施，事前做好各种准备工作，以防范于未然，减少不必要的损失。同时，对 避免河流等环境的污染也是非常必要的。所以研究过河管道或者海底管道在河床 和海底的特殊环境下受力性状，具有对铺设管道，管道的运行管理，破坏防止等 2 工程实际有举足轻重的作用。 1 2 过河管道的施工方法 给水管道穿越河道按施工方法分为倒虹方式及架空方式两类【6 1 。将管道埋设 在河床下面穿过河沟的施工方法称为倒虹管法，其优点是对河宽、水深、地质条 件、管径等适应性较强；管道建成后不影响河道航运；在寒冷地区不需要采取保 温措施。缺点是在大型河道上施工较为复杂；事故检修较困难；防腐要求较高； 易受航运、水流冲刷等外界因素的影响。架设在地面或水面上空的管道为架空式 管道，其优点是施工较为方便，不需作水下施工或仅有局部水下施工；维护管理 方便；钢管仅要求作一般防腐措施等。缺点是根据气温状况，需采取保温及伸缩 措施；对河面航道、防洪有一定程度的影响；只适用于跨度不太大的河道，t 易受 外界因素的影响，安全性较差。 1 3 倒虹式过河管道的施工方法 倒虹式过河管道的施工方法，按照河床的具体情况可分为顶管施工法，围堰 施工法，浮沉法三类【7 1 。 1 3 1 顶管施工法 顶管施工法是将要穿越的管道在河床下直接顶入，适用于河床地质构造、土 质较好，同时河流较窄的倒虹管施工。施工步骤为【6 】：( 1 ) 准确勘测待穿越部分 河床的断面尺寸、河底工程地质和水文地质资料，t ( 2 ) 采用直接顶入法将管道由 河底顶过去；( 3 ) 穿越河流的直管顶入后，先对该管段进行清洗，然后将管道的 两端用木塞或其他物品封闭，防止泥土及其他杂物进入，最后将两端管道连上， 形成倒虹吸管。 1 3 2 围堰法施工法 围堰法施工是在施工场地临时筑堤以分段交替隔堵水流的施工方法，如图 1 1 所示。这种方法适用于施工过程中河道水流不允许被中断、改道、且水流不 急、河面不太宽、无碍通航的情况下使用。施工步骤为 7 】：( 1 ) 用围堰堵住约2 3 的河面；( 2 ) 用水泵抽出围堰中的水；( 3 ) 沿设计管线位置和走向在堰内开挖管 沟，铺设管道；将堰内管道全部安装完毕后，塞住管端端口，防止杂物及泥土进 3 入；( 4 ) 对该管段进行试压检验，合格后作防腐补修，然后回填管沟；( 5 ) 继续 建筑堰内部分第二道围堰。为防止管沟串水，第二道堰与已施工完管段交叉处的 管沟应以黏土回填做成止水带。( 6 ) 清除第一道围堰，建筑第一道围堰中铺筑的 第二道围堰；( 7 ) 用水泵抽出第二道围堰中的水，开挖管沟继续安装管道，管道 施工完毕后，应进行整体穿越管道的试压，合格后清除第二道围堰。 图1 1 围堰法施工示意图7 1 1 3 3 浮沉施工法 图1 2 浮沉法施工示意斟7 】 l 一索铲；2 一牵引索；3 一空载索；4 一绞车 浮沉施工是在河床水流不受影响的条件下水下开挖，利用漂浮法运管及组合 焊接，然后管内灌水，使其下沉就位，之后管上覆盖，使河床恢复原状的方法。 如图1 2 所示。其施工步骤为【1 叼：( 1 ) 水下管沟可采用挖泥船、吸泥泵、抓斗等 机械挖掘，也可采用拉铲挖沟装置，挖掘装置在安装和使用时，要使牵引始终保 持与管道的走向相同；( 2 ) 在挖沟的过程中，要经常测定水深、沟深，潜水员要 及时检查管沟的质量；( 3 ) 用碎石对管沟进行初步找平，使之达到设计要求；( 4 ) 在邻近管沟河岸的平整场地上依河岸断面焊接倒虹吸钢管，并对钢管进行防腐处 理；( 5 ) 进行分段打压试验；( 6 ) 将钢管两端用木塞塞住托至河中浮在水面上， 对准管沟方位；( 7 ) 再进行一次严密检验，校正管道中线及倒虹吸管形状位置是 否与河床断面相对应；( 8 ) 打开管两端的进水及排气阀，逐渐将管道沉于沟底管 沟中；( 9 ) 潜水员检查和校正管道位置，使之符合设计要求，将管道沟底的空隙 用石块等填塞，除去管道上所系钢丝，检验后回填。 1 4 架空管道的施工方法 管道架空过河的施工方法有：沿路桥敷设法、水平管梁式管架桥施工法、拱 4 管过河施工法三类 7 1 。 1 4 1 沿路桥敷设法 沿路桥敷设法是最常见的架空过河方式。在道路桥梁上架设管道，一方面应 符合桥梁结构的许可，不影响过水断面、不影响船只通行；另一方面应确保供水 可靠，维修方便。在设计时，应考虑地震荷载、风荷载、温度应力的特殊要求以 及与桥梁外形上的协调性。方法分别有： ( 1 ) 吊环法：当桥旁设有吊装位置或在设计已预留的情况下，利用现有桥梁， 用吊环固定在桥旁，其安装位置可在桥的一侧，如图1 3 ； ( 2 ) 托架法：利用现有桥梁旁焊出钢支架，将管道架起通过，如图1 4 ； ( 3 ) 桥台法：利用桥旁的桥墩端部( 鱼嘴) 架设管道，如图1 5 ； ( 4 ) 平铺法：该方法要求桥梁设计时预留管位，将管道敷设在过河桥梁的人行 道下的管沟内，如图1 6 ； ( 5 ) 简易法：对于d n 5 0 以下的钢管，可以采用一般简单的措施，将钢管固定 在桥上。 图1 3 吊环法示意刚7 1图1 4 托架法示意卧7 1 ( 1 一管道；2 一支架) 图1 5 桥台法示意图 7 1 ( 1 一管道；2 管道接口；3 一桥墩) 图1 6 平铺法示意t 蚕r , l 翻智 毫 1 2 1 4 2 水平管梁式管架桥施工法【6 】 水平管梁式管架桥施工法中，在没有道路桥的地段或桥上无法架越管道时， 可修筑轻便的专用桥安放通道，也可以采用管架桥的形式跨越河道。其类型分为 不作加固设施的管梁式管架桥以及作加固设施的加强式管架桥。 ( 一) 管梁式架桥 管梁式架桥的简单支撑形式如图1 7 ；一端固定另一端活动的支撑形式如图 1 8 ；两端固定的形式如图1 9 ，它适用于过河跨度较短时，但不适宜出现较大温 度应力及地基不均匀沉陷的情况；连续支撑形式如图1 1 0 ，它在结构上也属简支 形式，但连续多跨，因而作为连续支撑形式考虑。 图1 7 简单支撑形式示意【6 】图1 8 一端固定另一端活动的支撑形式 6 】 图1 9 两端固定的支撑【6 】图1 1 0 连续支撑形式【6 】 ( 二) 加强式管架桥 桁架加强形式如图1 1 l ，一般口径不太大的管道，在跨度较大时用桁架加固， 其整体性好、刚度大、能承受较大垂直力与水平力。系杆加强形式如图1 1 2 ；横 档加强形式如图1 1 3 ，它适用于大跨度的情况，由于对加强的干管具有抗弯性， 在构造上是有利的；钢索吊管加强形式如图1 1 4 ，适用于施工作业面困难，跨度 较大的情况。 图1 1 1 桁架加强形式 6 】 忒j胍 卜俨一i i 叫 图1 1 2 系杆加强形式【6 】 图1 1 3 横档加强形式 6 】图1 1 4 钢索吊管加强形式【6 】 1 4 3 拱管过河施工 拱管的弯制有先弯后接法，先接后弯法；拱管的安装有立杆安装法，履带式 吊车安装法 6 】。 图1 1 6 拱管过河施工 6 】 图1 1 7 由于河流冲刷形成的悬空 8 】 1 5 倒虹式过河管道管跨的形成 1 5 1 河流冲刷形成的管道悬空 8 1 过河管道一般埋设于河底土壤一定深度以下，在河水冲蚀河床表面达到一定 程度的时候，容易使管道悬空形成管跨( 如图1 1 7 ) 。此外，由于河底存在着许多 不稳定现象，如：滑塌、塌陷、液化流、滑坡等，这些现象也会加剧海区冲刷的 深度和程度。 1 5 2 河底地形所形成的管道悬型9 】 河底管线在布置过程中，不可避免的要经过一些特殊地形和地质条件的地区， 这会形成管道悬空。此外，管线在爬坡或上岸段和与海洋平台立管连接段也容易 形成此种类型管跨如图1 1 8 、图1 1 9 、图1 2 0 。 y j 徊 久 一 r l 厂 图1 1 8 河床表面凹凸不平所形成的悬跨 9 】图1 1 9 河底地形形成的分段悬跨f 9 1 1 5 3 管线应力集中形成的管道悬型9 3 过河管线在铺设和输运过程中，由于残余应力及传输时的热应力变化等原因， 会使得管线的某些局部产生“屈曲”现象，这些“屈曲”现象也会使过河管道的 部分管线出现悬跨段，如图1 2 1 。这种类型的悬跨与管道的重量、强度及管道局 部应力大小等因素密切相关。 图1 2 0 管线爬坡形成的悬妒】 图1 2 1 管线应力集中形成的管道悬空的悬跨阴 1 6 研究现状 涡激力的计算方法，可以分为用莫里森公式计算，建立模型试验进行分析， 以及数值模拟三种。工程上计算流体作用在结构上的力通常采用莫里森( m o r i s o n ) 公式，其困难在于各个参数的取值。模型试验在国外开展得较早，如b r e n n o d d e n 等【1 9 1 、w a g n e r 等f 2 0 1 、a l l e n 等【2 ，都是用机械驱动器来模拟管道上实际所受 的水动力。m a d h us u d h a n 等2 3 】通过实验对埋置于底床中的管道所受波浪力进行 研究。国内的刘贞飞等【5 】对不同波浪要素、不同埋置深度条件下的管道周围冲刷 地形进行测量，对管道所受波浪力进行测定。数值模拟是目前计算流体力学中困 难最多因而研究最活跃的领域之一，详见2 2 1 。 涡激振动的方法可以分为实验研究方法、半经验方法、和数值模拟三大类n 3 。 匡j ：、有很多学者做过圆管涡激振动的模型试验。s a r p a y a 【1 】 2 】在固支的圆管上施加 同相和异相的时变力，以预测弹性支撑的圆管的涡激振动反应，该试验的雷诺数 范围为5 0 0 0 - - 2 5 0 0 0 。g o p a l k r i s h n a n 3 】测得了在自由流中生成的正弦波的作用下， 平滑圆管上的拖曳力和上举力，通过实验发现，引起涡激共振的约化速度的范围 与“锁”区域并不相符，涡激振动的“锁”现象被认为是和频率相关的效应。 z ( 1 m v k o v i c “4 】通过实验，把涡从圆柱脱落的模式分为“低速模式”和“高速模式”， “低速模式”为不稳定的层流状态，而“高速模式”为漩涡的形成有脱落状态。 v i k e s t a de ta l t 5 】测定了附加质量与弹性支承刚性圆柱的振动频率之间的关系。 i g o s w a m i 和1 l h s c a n l a n 6 】等在环形风洞内进行涡振模型试验，利用磁感应器测 量圆柱体模型的振动位移，用热线风速仪测量风速，并用频谱分析仪处理测得的 信号。 1 7 本文的研究内容和技术路线 1 7 1 研究内容 1 本文首先验证了s s t k t 0 模型模拟近壁流场圆柱绕流的适用性，利用文献算例 的参数数据，建模模拟了圆管绕流的漩涡发散现象，通过与文献中实测数据的对 比，得出了s s t k 0 3 模型能较好模拟紊流绕流现象的结论。利用s s t k 【1 ) 模型分 析了不同间隙比情况下过河管道所受涡激力的时程变化，讨论了间隙比对管跨所 受的涡激力的影响；通过频谱分析，讨论了间隙比对涡激力频率的影响。 2 由于过河管道在水流中的力学状态是河流和管跨相互作用决定的，所以，研 究管跨自身的振动特性是十分必要的。本文论述了过河管道管跨的受力特性，在 前入研究的基础上，讨论了管跨支座和附加质量的数值模拟方法。利用a b a q u s 建立了分析过河管道管跨的数值模型，通过计算，分析了管跨支座形式、间隙比、 跨长对管跨自振频率的影响，并总结出影响管跨自振频率的最主要因素。 3 在分析了涡激力的特性以及管跨自身振动特性的基础上，讨论了管跨在涡激 力作用下振动的计算方法，总结了尾流振子模型的解析求解方法。利用管跨模型， q 从控制管跨长度以避免发生涡激共振的角度出发，讨论了在管跨形成过程中，即 河底管道被河流冲刷，管跨长度不断变长，间隙比不断增大过程中，管跨极限跨 长的计算，分析了管跨支座形式和间隙比对极限跨长求解的影响。 1 7 2 技术路线 本文的技术路线如图1 2 2 所示。 图1 2 2 本文的技术路线示意图 参考文献 1 姚铁海底管跨极限跨长的确定及其振动中同向横向的耦合作用天津大学，2 0 0 4 ； 2 赵冬岩海底管道稳定性分析综述中国海上油气( 工程) ，1 9 9 8 年1 0 月第l o 卷第5 期，l 一3 ； 3 宁夏政协文史和学习委员会，宁夏回族自治区水利厅黄河与宁夏水利( 下) 宁夏：宁夏人民出版社； 4 马良海底管道在水流作用时诱发的震动效应中国海洋平台，2 0 0 0 年4 月，1 5 ( 2 ) ，3 0 3 4 ； 5 范元林，许长存过河管道抢修技术研究海洋技术，1 9 9 7 年9 月第1 6 卷第3 期； 6 何维华城市给水管道成都：四川人民出版社，1 9 8 3 ； 7 深圳市水务( 集团) 有限公司水务行业技术工程培训教材供水管道工北京：中国建筑工业出版社 2 0 0 5 ： 8 罗延生海底管线管跨段涡激振动下模糊疲劳可靠性评估的研究石油大学，1 9 9 9 ； 9 蔡洪滨圆柱体的涡激升力研究及其动力响应分析中国海洋大学，2 0 0 6 ； 1 0 水运技术词典编辑委员会水运技术词典试用本船体修造分册北京：人民交通出版社，1 9 8 7 ； 1 1 竺艳蓉海洋工程波浪力学天津：天津大学出版社，1 9 9 1 ； 1 2 屠兴模型实验的基本理论和方法西安：西北工业大学出版社。1 9 8 9 ； 1 3 赵刘群水动力引起的海底管道振动的数值研究大连理工大学，2 0 0 6 ； 1 0 吴钰骅海底管道一流体一海床相互作用机理和监测技术研究浙江大学，2 0 0 7 ； 刘贞飞海底管道冲刷及波浪力实验研究中国海洋大学，2 0 0 7 沈鹤亭丘陵城镇给水工程中国科学技术出版社，1 9 9 3 b c s y a m a l a r a o ，t r a n s v e r s ev i b r a t i o no fac i r c u l a rc y li n d e rn e a ras o li db o u n d a r y a m e r i c a n s c i e n t i f i cr e p o r t 1 9 8 8 ： i s j a k h a l a k ，c h k w i l l i a m s o n ，d y n a m i c so fah y d r oe l a s t i cc y l i n d e rw i t hv e r yl o wm a s sa n d d a m p i n g j o u r n a lo ff l u i d sa n ds t r u c t u r e s ( 1 9 9 6 ) 1 0 ，4 5 5 4 7 2 ； 1 9 b r e n n o d d e nh 。s v e g g e n0 ，w a g n e rda ，m u r f fjd f u l l s c a l ep i p e s o i li n t e r a c t i o n t e s t s p r o c e e d i n go f t h ee i g h t e e n t ha n n u a lo f f s h o r e t e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，p a p e ro t c 5 3 3 8 ，h o u s t o n ，1 9 8 6 ：4 3 3 4 4 0 ； 2 0 w a g n e rda ，m u r f fjd ，b r e n n o d d e nh ，e ta 1 p i p e s o i li n t e r a c t i o nm o d e l p r o c e e d i n go fn i n e t e e n t h a n n u a lo f f s h o r et e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，1 9 8 7 ，o t c5 5 0 4 ：1 8 1 1 9 0 ； 2 1 a l l e nd w ，l a m m e r tw f ，h a l ej r ，j a c o b s e nv s u b m a r i n ep i p e l i n eo n b o t t o m s t a b i l i t y ：r e c e n t a g ar e s e a r c h p r o c e e d i n g so ft h eo f f s h o r et e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，o t c6 0 5 5 ，h o u s t o n t e x a s ，1 9 8 9 ：1 2 1 1 3 2 ； 2 2 b r e n n o d d e nh 。l i e n gj t ，s o t b e r gt ，e ta 1 a ne n e r g y b a s e dp i p e s o i li n t e r a c t i o nm o d e l p r o c e e d i n go f 2 1 s ta n n u a lo f f s h o r et e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，o t c6 0 5 7 ，1 9 8 9 ：1 4 7 1 5 8 ； 2 3 1 w a nr s o e d i g d o a ，k f l a m b r a k o s b ，b i l l yl e d g e c p r e d i c t i o no fh y d r o d y n a m i c f o r c e so n s u b m a r i n ep i p e l i n e su s i n ga ni m p r o v e dw a k ei i m o d e l o c e a ne n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ，2 6 ( 1 9 9 9 ) ：4 3 1 4 6 2 ； 2 4 温正，石良辰，任毅如，f l u e n t 流体计算应用教程北京：清华大学出版社，2 0 0 9 ； 2 5 王贵春，在稳定流中海洋管道的漩涡激发振动天津大学，1 9 8 7 ； 2 8 凌国灿，尹协远，圆柱高雷诺数层流非定常运动初期流动，力学学报，1 9 8 1 ，2 ：1 0 9 1 1 9 ； 2 9 凌国灿，圆柱体非定常亏暑一戴葳7 另运动，力学学报，1 9 8 3 ，3 ：2 1 1 2 1 6 ； 3 0 张日向，马良，海仨掏槽内管道在流波作用下的水动力效应的实验研究，中国海上油气( 工程) ，2 0 0 0 ， 1 2 ( 4 ) ：2 3 2 7 ； 3 1 孙意卿，海洋工程环境条件下及其荷载 m ，上海：上海交通大学出版社，1 9 8 9 ，2 ：3 2 2 3 2 3 3 2 高福平，顾小芸，浦群，海底管土相互作用研究概述中国海洋平台，2 0 0 4 ，1 9 ( 1 ) ：2 6 3 0 3 3 常瑞芳，海岸工程环境青岛：青岛海洋大学出版社，1 9 9 7 ：3 1 4 1 麦继婷，关宝树，用m o r i s o n 方程计算分析悬浮隧道所受波浪力初探石家庄工程建设，2 0 0 0 ，2 ( 1 ) ： 1 1 1 4 4 2 夏令，王立忠，潘存鸿，波浪作用下的泥沙启动及海底管线周围局部冲刷浙江大学硕士学位论文， 2 0 0 6 ：1 0 一1 8 。4 3 6 3 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 孙绍平，给水排水管道的应用和发展，市政技术，2 0 0 2 3 崔建国。王俊岭，城市给水管道的漏损及防治对策，科技情报开发与经济，2 0 0 2 i 区福邦，城市地下管线普查技术研究与应用，东南大学出版社，1 9 9 8 张土乔、吴小刚，垂直荷载作用下的管道纵向受力分析模式初探，中国市政工程，2 0 0 1 4 吴世明等，土动力学，中国建筑工业出版社，2 0 0 0 龙驭球弹性地基梁的计算 m 北京：人民教育出版社，1 9 8 1 1 1 4 9 a l a ( a m e r i c a nl i f e l i n e sa l l i a n c e ) ，2 0 0 1 g u i d e l i n e sf o rt h ed e s i g no fb u r i e ds t e e lp i p e h t t p ：| f 帑秣a m e r c a n l i f e l i n e s a l l l a n c e o r g 1 2 第二章过河管道涡激力的模拟 摘要：论述了圆管绕流和漩涡发散现象以及描述该现象的参数；总结了现有的计算圆管绕流时涡激 力的计算方法；通过软件，实现了s s tk 【1 ) 模型，利用前人的实验参数进行建模计算，通过 与文献实验实测结果的比较，验证了s s tk - o j 模型模拟近壁流场的适用性；利用s s tk 0 0 模 型模拟计算了不同间隙比时过河管道涡激力，并通过对涡激力的时程分析和频谱分析，讨论 了涡激力的频率、平均值及波动幅值与间隙比的关系，以及涡激升力和涡激拖曳力在管跨破 坏中不同的作用。 关键词：圆管绕流；s s tk - 0 0 模型；间隙比；涡激力；频率 2 1 概述 流体的绕流是人们发现已久的自然现象。犹太教文献有记载，大卫王夜间把他的多 弦琴挂在床头，在午夜的微风里，琴就嘤嘤鸣响。1 8 7 9 年，瑞利勋爵发现，当风正交 于弦线时小提琴就振动发出音乐。实际上，当流体流过某一曲面时，由于流体的粘性， 在曲面的前半部分流场内流速不断增加，而在曲面的后半部分流场，由于粘性摩擦使贴 壁处薄层( 即边器层) 内的流体微团失去部分能量，导致流体本身具有的动能不足以克 服阻力，微团速度降低直至速度等于零，然后再开始反向运动。这样，运动方向不同的 流体相遇后相互碰撞，扭转而形成漩涡，并开始从表面脱离，这种现象称为漩涡脱落。 在绕流现象中，圆柱体的绕流研究得比较成熟，而过河管道的绕流，便是典型的圆 柱绕流现象。当流体接近圆柱体前时，流体因受阻滞而压力增加，使围绕圆柱体表面 的边界层沿两侧向下游方向发展。当雷诺数较高时，边界层在圆柱体断面宽度最大点附 近产生分离，并形成向下游延展的自由剪切层，两侧的剪切层之间的区域被称为尾流区。 在剪切层范围内，由于内侧流速小于外侧的流速，流体发生旋转并分散成若干个漩涡， 在柱体后面形成一系列漩涡，如图2 1 所示。 2 1 1 涡旋发展的各个阶段 尾流区涡旋形态受雷诺数的影响很大，雷诺数以足表示，如下式： r e = 半 ( 2 1 ) 式中：u 来流的速度； d d 埘管子的外径； 1 ，流体的运动粘性系数，：竺水温1 5 。c 时，淡水的v 等于1 1 3 9 0 2 p ， 1o 一5 m 2 s ，含盐3 5 n 海水的，等于1 8 8 31 1 0 。5 r r ? s t 7 1 ； 莱因哈德总结了大量的实验成果，将光滑圆柱体横向绕流时流场随诺数增加时 的漩涡发放过程表示于图2 2 中。当r e 5 时，边界层尚未分离，( 5 1 5 ) r e 4 0 时， 尾流中出现一对稳定的小漩涡( 弗普尔涡) 。当r e 数继续升高时，漩涡拉长，一直到 一个漩涡脱离圆柱体，于是就形成了一个周期性的尾流和交替错开排列的涡街。当4 0 r e 1 5 0 时，形成了以冯卡门命名的两行涡街。当1 5 0 r e 3 1 0 6 时，称为超临界范围，涡街重新建立 1 0 1 。 1 4 动振 图 向 意 横 示l流绕管圆 lz 图 毛5无分离现象发生 柱后出现一对商定的 龟珍 ( 5 1 5 ) s 置 4 0 小漩涡 周期性交替泄放的层 司叫 4 0 置1 如 流漩涡 周期性交瞽泄放的素 流漩涡完全紊漉可延 奶 3 疋, c 3 x l o ， 续至s o d 以外称为次 桩界阶段 过渡段，分离点后移， 漩锅澄放不具有周勰 镬 $ x l o i 墨 3 $ x 1 0 性c 宽带发放频率) ， 曳力显著降低 图2 2 漩涡发放各个阶段的形态 2 1 2 工程中考虑的漩涡发放阶段 当雷诺数r e 1 5 0 时，涡街一直是层状的，这个区域内的涡旋发放对结构和流场的 影响都不大，所i j , 在工程实际中很少考虑。雷诺数& 在1 5 0 3 1 0 5 之间的涡旋交替 发放区才是工程实际中最常遇到和需要解决的情况【3 1 。 2 1 3 描述涡旋发放规律的几个基本参数 ( 一) 涡旋发放频率 涡旋发放频率是指单位时间内涡旋对发放的数量，以五表示： z = 苦 ( 2 2 ) 式中：s s 廿o u l l a l 数，是雷诺数和结构截面形状等参量的函数，是一个无因次 数，通常通过实验获得； 管道外径； u 来流速度。 其中，s t r o u h a l 数是与雷诺数和绕流物体截面形状相关的实验常数，图2 3 给出了 某些非圆形截面的s t r o u h a l 数，其中d 的定义是界面垂直于流体流动的最大宽度。图 2 4 为圆形截面的s t r o u h a l 数，可以看出，对于圆柱体来说s t r o u h a l 数在较大的有效范 围内集中于0 2 附近，所以在一般的计算中多将其取为0 2 【4 1 。 为垂直子自由流的最大宽层b 图2 3 非圆截面的s t r o u h a l 数 图2 4 圆截面的s t r o u h a l 数与雷诺数的关系 ( 二) 约化速度 为了简便的估计管跨的动力响应状态，在综合考虑了漩涡发放频率和系统固有频率 等有关因素的基础上，定义了约化速度，约化速度也是一个无因次参数，以y r 表示： = 瓦u ( 2 3 ) 式中：z 管跨的固有频率； 管道外径； u 来流速度。 与涡旋发放形态之间的关系为： 1 6 当圪在1 0 2 2 之间时，可能出现对称的尾流涡旋释放，诱发管道发生与水流 方向一致的同向振动； 当圪在2 2 4 5 之间时，可能出现交替的尾流涡旋释放，也可能诱发管道发生 与水流方向一致的同向振动； 当k 在3 5 5 o 之间时，可能出现交替的尾流涡旋释放，诱发管道发生与水流 方向垂直的横向振动。 2 2 过河管道涡激力的计算 当河水流经管跨时，由于涡旋的发放和成长，在管跨的周围形成一个由时变的流场 引发的时变的压力场，这个压力最终作用于管跨的表面上。由压力场诱发的压力可看成 是由一个平行于来流方向的压力分量和一个正交于来流方向的压力分量的共同作用，从 而产生了这两个方向的激振力。由平行于来流方向的压力分量形成的激振力通常被称为 拖曳力( 流向力) ，而由正交于来流方向的压力分量形成的激振力通常被称为举升力( 横 向力) 。在波浪运动或河流的速度变化的情况下，