新1海洋立管涡激振动lou1

海洋输流立管涡激振动试验研究及数值模拟

报告人：娄敏导师：郭海燕教授研究背景研究现状研究内容

1.海洋立管涡激振动试验方法

2.浅水刚性立管有比尺试验研究

3.深水柔性立管无比尺试验研究

4.海洋立管涡激振动数值模拟

5.浅水刚性立管涡激振动结果对比

6.深水柔性立管涡激振动结果对比结论及建议

由于陆上石油能源危机日渐突出，海上油气资源的开发便凸现其越来越重要的地位。深海油田开发系统中最关键的基础结构是海洋立管。海洋立管是海洋平台或钻探船舶等水面浮式装置与海底设备（如井口、总管等）的关键连接部件。海洋立管下端一般通过万向节与海底设备相连，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合。

研究背景

海洋立管结构形式有很多，如顶端张紧的立管(TTR)、自由悬挂的钢悬链线立管(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

立管所承受的海洋环境荷载主要有风、浪、流、冰和地震荷载，其中由风引起的波浪和海流是最主要的荷载。当波浪和海流行经立管时，在一定的流速下，可在立管两侧交替地形成漩涡,漩涡脱落会对立管产生一个周期的可变力，使得管道发生涡激振动。当漩涡脱落频率与立管自振频率接近时，漩涡的泻放将被结构的振动所控制，即发生频率锁定现象，将引起立管的强烈振动。当管内具有一定压力的石油或天然气流经挠曲的管道时，由于管道曲率的变化和管道的横向振动，流体发生加速，这些加速的力作用在管道上，引起管道更加复杂的耦联振动。研究背景研究现状涡激振动（VIV）是深水立管设计的一个主要控制因素，该方面研究特别受到重视，每年有大量论文发表，主要集中在1）海洋立管VIV数值模拟，2）海洋立管VIV实验研究，3）海洋立管VIV疲劳评估技术，4）海洋立管VIV抑振技术研究现状海洋立管涡激振动模型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）海洋立管涡激振动试验研究室内无比尺试验研究室内有比尺试验研究室外无比尺试验研究室外有比尺试验研究研究现状研究现状VIV疲劳评估：立管在涡激振动的作用下易发生疲劳破坏，如何对VIV疲劳损伤及疲劳寿命进行评估也是涡激振动研究中的一个热点问题。根据试验：

G.S.Baarholm、C.M.Larsen（1997）【36】等人在挪威的Hanoytangen进行了大比尺的海洋立管涡激振动试验，立管模型长90米，直径为3厘米，试验中对立管弯曲应变、张力、流速等参数进行了测量，结果表明：在低流速下，由张力决定模态的立管疲劳损伤中，顺流向振动同横向振动同等重要，而在高流速下，由弯矩决定模态的立管疲劳损伤中，横向振动起主要作用；根据数值数值模拟：FranciscoE.Roveri与J.KimVandiver（2001）【38】利用涡激振动分析软件SHEAR7对涡激振动引起的疲劳破坏进行了详细的研究，其主要考虑流速、管道拉力、锁振范围、单阶/混阶响应及连接应力等问题VIV抑制技术研究现状

目前，国内外研究管内流体流动大多集中在陆上管道，而内流对海洋立管涡激振动研究较少。因此，考虑管内流体流动及管外海洋环境共同作用的海洋立管试验、理论研究，不仅有重要的科学意义，在工程上亦有较大的应用价值。研究现状研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法1.浅水刚性立管有比尺涡激振动试验研究：取实际工程中的立管参数包括立管长度、直径、壁厚、材料，并取中国渤海海域的水深、海流等海洋环境参数，通过相似分析，将工程中的海洋立管缩放到试验水槽中，重点考察管内流体对立管动力特性及动力响应的影响、在海流作用下立管顺流向及横向动力响应，并采用S-N曲线法对立管进行疲劳寿命分析。相似分析：立管在海中的长度为21米，由于试验水槽的有效水深仅为0.7米，因此在模型试验中几何比尺取为30。由于采用重力相似理论，模型试验中的速度比尺及时间比尺为5.5。外径(mm)壁厚(mm)立管长度（水下部分）(m)立管长度（水上部分）(m)材料323.911.12115API5LX65重现周期位置3个月6个月1年50年表层(m/s)0.99①1.03②1.55③2.15④中层(m/s)0.981.021.261.95底层(m/s)0.840.872.151.60外径(mm)壁厚(mm)立管长度（水下部分）(m)

立管长度（水上部分）(m)

材料1060.70.5有机玻璃实际工况①②③④试验流速0.180.310.38研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法2.深水柔性立管无比尺涡激振动试验研究：采用橡胶管作为立管模型，变化管内流体流速(0、3.5、5.5、7.2m/s)及管外流速(0.2~0.6m/s)，使得立管在一阶及二阶自振频率处发生“锁振”，考察内流对立管动力特性及动力响应的影响、立管顺流向及横向涡激振动响应、立管顺流向振动与横向振动关系。水下长度水上长度外径内径管材0.7m0.5m10mm7mm橡胶研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法3.试验设备

图2-5风－浪－流联合水槽图2-6试验水泵

研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法图2－8试验铁架图2－9固接接头示意图研究内容——海洋立管涡激振动试验研究方法图2-10数据采集系统图2－11多谱勒测速仪

研究内容——浅水刚性立管有比尺试验研究图3-1管内外无水时敲击试验功率谱

图3-2管外充水管内无水时敲击试验功率谱

图3-3管内有水管外无水时敲击试验功率谱

3-4管内外有水时敲击振动功率谱（内流流速V=0m/s）1.动力特性图3-1～3-4分别为立管在管内外无水、管内无水管外有水、管内有水管外无水、管内外有水且内流流速V=0m/s应变信号功率谱图，从图中可以得到相应的自振频率，分别为12.3Hz，8.6Hz，9.9Hz及7.2Hz，即立管在管内外无水时自振频率最高，而在管内外有水时自振频率最低，这是由于管内充水增加了立管系统的质量，而管外充水使得立管增加了流体附加质量，因此使得立管自振频率降低。研究内容——浅水刚性立管有比尺试验研究图3-5管内外有水时敲击振动功率谱图3-6管内外有水时敲击振动功率谱（内流流速V=0.15m/s）（内流流速V=0.25m/s）图3-4～3-6分别为立管在管内外有水且内流流速V=0m/s、0.15m/s及0.25m/s时应变信号功率谱图，其自振频率均为7.2Hz，这是由于实际工程中立管较短，刚度较短，且管内流速不大，所以，管内流体流动对立管动力特性影响不明显。

研究内容——浅水刚性立管有比尺试验研究2.动力响应按照2.2.1中试验设计方法，将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）作用下涡激振动响应。试验中，为考察内流对立管动力响应的影响，对每种试验工况分别取三种内流流速V=0m/s、0.15m/s及0.25m/s。可以看出，作为外加激励荷载，外流对立管振动起决定作用，随着外流流速的增加，不管是立管顺流向振动，还是立管横向振动，都有大幅的增加。比如位置3处立管横向振动幅值，在外流流速0.18m/s、0.31m/s及0.38m/s时，分别为2、80及145。

立管模型在海流的作用下，横向振动响应明显比顺流向动力响应强烈.

f.位置3处横向振动响应时程曲线及功率谱图图3-11海洋立管模型动力响应（外流流速U=0.38m/s，内流流速V=0.25m/s）U=0.38m/sV=0.25m/s3#顺流向横向研究内容——浅水刚性立管有比尺试验研究3.疲劳寿命分析1.随着内流流速的增加，立管自振频率，包括一阶自振频率并二阶自振频率都降低。这与Houser的研究结果“管内液体的流动可以降低管道的固有频率”一致。研究内容——深水柔性立管无比尺试验研究

2.当漩涡脱落频率与立管自振频率相吻合时，立管发生“锁振”现象，立管振动强烈且振动频率锁定在立管自振频率附近。研究内容——深水柔性立管无比尺试验研究3.管内流体流动使得涡激振动频率降低、振幅增加。

柔性立管涡激振动响应（U=0.21m/s）研究内容——深水柔性立管无比尺试验研究V=0V=3.5m/sV=5.5m/sV=7.2m/sU=0.21m/s3#4.顺流向振动与横向振动轨迹呈现“8”字型，随着内流流速的增加，振动轨迹更加稳定。研究内容——深水柔性立管无比尺试验研究研究内容——深水柔性立管无比尺试验研究5.管内流体流动对立管振动相关性的影响管道振动的相关性通过相关系数来描述，相关系数愈高，其相关性愈强。

研究内容——深水柔性立管无比尺试验研究研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟涡激振动作用力研究内容——海洋立管涡激振动数值模拟结果对比——浅水刚性立管

a.位置1处时程曲线b.位置1处振动频率浅水刚性立管涡激振动数值模拟与试验结果对比(U=0.31m/s)结果对比——浅水刚性立管

c.位置2处时程曲线d.位置2处振动频率结果对比——浅水刚性立管

e.位置3处时程曲线e.位置3处振动频率结果对比——浅水刚性立管管内流体流动对浅水刚性立管涡激振动的影响U=0.31m/s

a.位置1处时程曲线b.位置1处振动频率结果对比——浅水刚性立管c.位置2处时程曲线d.位置2处振动频率结果对比——浅水刚性立管e.位置3处时程曲线f.位置3处振动频率结果对比——深水柔性立管

a.位置1处时程曲线b.位置1处振动频率深水柔性立管涡激振动数值模拟与试验数据对比(U=0.21m/s)结果对比——深水柔性立管c.位置2处时程曲线d.位置2处振动频率

结果对比——深水柔性立管e.位置3处时程曲线f.位置3处振动频率结果对比——深水柔性立管a.位置1处时程曲线b.位置1处振动频率深水柔性立管涡激振动数值模拟中内流对涡激振动的影响(U=0.21m/s)结果对比——深水柔性立管c.位置2处时程曲线d.位置2处振动频率结果对比——深水柔性立管e.位置1处时程曲线f.位置1处振动频率本文结论本文以海洋输流立管为研究对象，考虑管内流体流动及管外海洋环境的共同作用，对浅水刚性立管进行了有比尺涡激振动试验研究，对深水柔性立管进行了无比尺涡激振动试验研究；采用能量守恒原理建立了立管振动方程，并用Matteoluca尾流振子模型来模拟流体对立管的涡激振动作用力，求解立管涡激振动响应，编制计算程序，将数值模拟结果与试验结果进行了对比，得到以下结论：浅水刚性立管试验：对于浅水刚性海洋立管，立管较短，刚度较大，且管内流速不大，所以，管内流体流动对立管动力特性及动力响应影响不明显。立管模型在海流的作用下，横向振动响应明显比顺流向动力响应强烈。疲劳寿命分析表明随着外流流速的增加，立管疲劳寿命减小且立管两端及中部容易发生疲劳破坏。数值模拟结果与试验结果差别不大；数值模拟中内流对立管涡激振动影响不明显，与试验结果一致。本文结论深水柔性立管试验：随着内流流速的增加，立管自振频率，包括一阶自振频率并二阶自振频率都降低。这与Houser的研究结果“管内液体的流动可以降低管道的固有频率”一致。当漩涡脱落频率与立管自振频率相吻合时，立管发生“锁振”现象，立管振动强烈且振动频率锁定在立管自振频率附近；顺流向振动频率为横向振动频率的两倍。随着管内流体流速的增加，涡激振动频率降低、振幅增加；其振动轨迹愈加规整，在不同的运动周期中，其轨迹基本相同；且立管不同位置处的振动相关性减弱。数值模拟结果与试验结果在振动频率方面偏差不大，在幅值方面，数值模拟结果比试验结果偏大；数值模拟中内流对深水柔性立管涡激振动振动幅值与振动频率的影响规律与试验结果一致。存在的问题及进一步研究的建议本文虽然海洋输流立管的动力特性和涡激振动响应做了一些研究工作，也得到了一些有用的结论，但仍存在一些问题，主要有一下几个方面：1.在试验中，只在立管上部无水处布置应变片进行测量，没有在水下立管部分布置应变片，无法得到立管振型。建议在今后的试验中，对水下立管部分也进行测量，使得立管振动数据更全面。2.只是考虑了二维的横向涡激振动，没有考虑顺流向的振动。事实上，横向和顺流向的振动也是相互耦合相互影响的。应继续研究它们之间的耦合关系，分析横向升力振子和顺向阻尼系数的相互联系。3.实际工程中，采用一些绕流装置以减弱涡激振动的影响，在今后的试验中可以考察不同绕流装置的抑制效果。4．本文对深水柔性立管进行的是无比尺涡激振动试验研究，在今后的试验中，可在深水实验室考虑深水柔性立管有比尺试验研究。攻读博士期间撰写论文1．Numeri