浪流共同作用下隔水管涡激动力响应分析

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深水钻井隔水管柱自激振动响应分析

Ｒ－型中，湍动能湍动耗散率ｓＮＧｋｅ模和对应的输运方程为ｌ：ｏＪ
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．丢）Ｉ＋ｄ卦Ｇ占ｘＯｋ．『＋＝（）＋Ｇ２考孚－Ｔｆｋ￣Ｃｐ
＋＝
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、、、Ｃ２为经验
使得ＶＶ的数值模拟异常困难，少有计算结果能够精确再现经典的实验结果。目前模型实验难以模拟Ｉ
高雷诺数环境，对高雷诺数下的圆柱ＶＶ进行数值模拟就变得尤为重要。本文对维圆柱的自激振动Ｉ
进行数值模拟，针对隔水管在海洋环境中的真实雷诺数火小进行仿真，较好地再现了Ｋａａ、ｈｌｋ
基于ＲＧｋ￡Ｎ一湍流模型与动网格技术，针对隔水管在海洋环境中的实际雷诺数范围，对管柱涡激振动进
行数值模拟。数值模拟再现了圆柱响应的三个分支：初始分支、高幅分支与低幅分支，与经典实验吻合良
好，同时清晰地捕捉到了漩涡泄放的２模式与２模式。研究发现在解锁区内存在一个振幅显著低于低幅分ｓＰ
５卷１
增刊２
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Ｖｏ．Ｓｅｉｌ１１５ｐｃａ２Ｄｅ．Ｏ】ｃ２０
２ｌＯ０年１２月
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文章编号：１０ —８２２）２０８００４８（０Ｓ．２ —６０１０
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Ｃ２Ｉ）＝（＋Ａ１１ｋ（＋＝ｍｍ）
式中，ｍ为圆柱质量：ｍ为流体附加质量；Ｃ、ｋ分别为振子的阻尼系数与刚度系数；

洋流涡激作用下水中悬浮隧道稳定性的关键技术研究的开题报告

洋流涡激作用下水中悬浮隧道稳定性的关键技术研究的开题报告一、选题背景世界范围内，越来越多的海底隧道在建设中，其中的大部分隧道是利用悬浮式结构进行设计和建造。

这种结构通常由一些管道组成，管道之间使用支柱连接。

悬浮式隧道可以减少地面的占用空间，同时也可以降低施工难度和成本。

在悬浮隧道的设计和建造过程中，需要考虑到各种因素可能对隧道的稳定性造成的影响。

洋流涡激作用就是一个极其重要的因素，必须被充分考虑。

涡激作用可以通过隧道内的流体力学模型来描述，需要采用一系列关键技术将其控制在所需范围内，以确保隧道的稳定性。

因此，对洋流涡激作用下水中悬浮隧道稳定性的关键技术进行研究，对于提高悬浮隧道的安全性和可靠性具有重要意义。

二、研究目的和意义本课题旨在研究洋流涡激作用下水中悬浮隧道的稳定性，探究影响这种结构稳定性的关键技术，并提出相应的解决方案。

具体来说，本课题的研究目的如下：1. 研究水中悬浮隧道的流体力学模型，探究洋流涡激作用对其稳定性的影响；2. 系统分析影响悬浮隧道稳定性的各种因素，以及相应的控制措施；3. 研究洋流涡激作用下水中悬浮隧道稳定性的关键技术，提出相应的优化方案；4. 通过实验验证和分析研究结果，并对未来的研究提出建议。

本课题的研究意义如下：1. 为悬浮式隧道的设计和建造提供理论支持和技术指导；2. 提高水中隧道的安全性和可靠性，减少施工成本；3. 推动涡激作用下的水中隧道稳定性研究进步，促进相关技术的发展。

三、研究内容和方法1. 研究内容本课题的研究内容包括：(1) 水中悬浮隧道的流体力学模型研究；(2) 洋流涡激作用下水中隧道的稳定性控制因素研究；(3) 探究涡激作用对隧道稳定性的影响机理；(4) 基于数值模拟和实验研究方法，采用多种控制技术进行稳定性优化。

2. 研究方法本课题采用以下研究方法：(1) 数值模拟方法：利用ANSYS的流体力学模拟软件对水中悬浮隧道的流动进行数值模拟，进而研究隧道的流体力学特性；(2) 实验方法：在实验室搭建相应的模拟设备，进行模型实验。

深水钻井隔水管-防台风悬挂系统耦合动力响应机理与控制策略

深水钻井隔水管-防台风悬挂系统的耦合动力响应机理是一个相对复杂的过程，但可以通过一些关键要素来理解。

首先，该系统是基于深海油气开发环境条件设计的，特别是针对台风等恶劣海况。

悬挂隔水管可以适应极端海洋环境条件，这是通过在线监测悬挂钻井隔水管水下装备载荷和运动状态来实现的。

这样，可以及时掌握系统的安全状态，从而采取相应的控制措施。

在恶劣环境条件下，隔水管可能会受到强烈的动载荷作用。

为了降低这种动态载荷，提高隔水管在台风等极端工况下的安全性，研制团队创新性地设计了一套主动节流动载控制液压系统。

这种系统可以有效控制隔水管的动态响应，降低其受到的应力，从而防止可能的损坏。

深水钻井隔水管-防台风悬挂系统的控制策略主要依赖于实时监测和主动控制。

通过实时监测，可以及时了解隔水管的运动状态和载荷情况，这是制定有效控制策略的基础。

主动控制则通过调节液压系统的参数，实现对隔水管动态响应的精确控制。

这种控制策略不仅可以提高隔水管的安全性，还可以优化整个钻井作业的效率。

此外，该系统装备可大大提高深海浮式钻井平台及隔水管系统对台风等恶劣海况的应对能力。

它能够在水深为1000至3000米的深海钻井作业中发挥作用，提供更长的井筒处置时间，提高钻井水下设备的安全性。

在遭遇台风等恶劣海况时，该系统可以显著降低深海油气田开发成本，并有望带动我国深海油气大型高端装备的发展。

总的来说，深水钻井隔水管-防台风悬挂系统的耦合动力响应机理与控制策略是一个综合性的研究领域，涉及海洋工程、机械工程、控制工程等多个学科。

通过不断的研究和创新，我们可以进一步提高该系统的性能和可靠性，为深海油气开发提供更有力的技术支持。

波流联合作用下隔水套管的涡激非线性振动

Ｖｏ１３１Ｎｏ．４．
Ａｕ．２０ｇ０７
波流联合作用下隔水套管的涡激非线性振动＊
刘为民Ｄ谷家扬Ｄ李达
（苏科技大学船舶与海洋工程学院 ” 镇江２２０）（江１０３中海石油研究中心北京１０２）００７
摘要：虑流及波流联合作用，究了套管的涡激非线性振动．套管简化为梁模型，及莫里森考研将计非线性流体动力和涡激荷载，立套管的涡激振动方程．用克雷洛夫函数求解套管的固有频率建采
Ｆ（，）一ＦＬｚ，）一Ｆ（￡ｚｔ（ｔｚ，）（）２
究很少．者提出了计算深水套管涡激动力响应笔的模型及方法，以东海 “ 探３号 ” 并勘的钻井隔水套管为例，究了流以及波流联合作用下套管的研非线性动力响应，数值模拟的结果揭示了隔水套
共同作用下涡激振动的动力学特征，迄今为止研
图１套管分析模型
图１中，为套管的长度．根据上述分析模型，
可以导出套管的振动方程为
Ｅ碧＋雾＋一（ｃｚ１）
式中：和分别为弹性模量和套管惯性矩；为Ｅ单位长度结构质量；ｃ为阻尼系数；ｚ￡为沿ＹＦ（，）方向每单位长度上流体的总作用力，由漩涡串作用产生的升力Ｆ（，）套管横向运动产生的流ｚ￡和体阻尼力Ｆ（，）ｚ￡两部分组成，即

深水钻井隔水管动力特性及涡激振动响应实验与理论

在深水钻井过程中，隔水管能够承受高水压、抵抗外部扰动、保持结构稳定，是保障钻井作业顺利进行的关键因素。
由于深海环境的复杂性和不确定性，隔水管的性能和质量对于整个钻井作业的成败具有至关重要的影响。
深水钻井隔水管的背景和历史
深水钻井技术是随着石油工业的发展而逐步发展起来的，隔水管作为其中的重要设备之一，也经历了从传统材料到高性能材料、从简单结构到复杂结构的演变过程。
涡激振动理论
当流体流经隔水管时，可能会产生涡旋脱落，进而引发隔水管的振动。涡激振动理论可以预测这种振动行为的频率和幅度。
数值模拟方法
通过数值模拟，可以对基于流体动力学的理论模型进行求解，预测隔水管的动力特性及涡激振动响应。
基于结构动力学的理论模型
结构动力学基础
深水钻井隔水管具有复杂的结构，包括管体、加强筋和连接部分等。基于结构动力学的理论模型可以描述这些结构的振动特性和响应。
03
涡激振动响应实验
实验设计
实验目的
研究深水钻井隔水管的涡激振动响应特性，探究不同因素对振动响应的影响，为优化隔水
管设计提供依据。
实验模型
根据实际隔水管尺寸和结构，设计制作一定比例的简化模型流等自然环境条件下的深水海域进行模拟实验。
实验过程和数据分析
设计参数对动力特性的影响
风浪流等环境条件
01
风浪流等环境条件对隔水管的动力特性产生显著影响，包括频
率、振幅和相位等参数。
隔水管结构形式
02
不同结构形式的隔水管具有不同的动力特性，如柔性隔水管具
有较好的频率响应，刚性隔水管则具有较好的振幅响应。
连接方式与接头类型
03
连接方式与接头类型对隔水管的固有频率和阻尼比等动力特性

海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究_郭海燕

第22卷第4期工程力学 V ol.22 No.4 2005年 8 月ENGINEERING MECHANICSAug. 2005———————————————收稿日期：2003-07-31；修改日期：2003-10-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50379050)作者简介：*郭海燕(1960)，女，黑龙江人，教授，博士生导师，主要从事流固耦联振动研究(E-mail: hyguo@)；傅强(1978)，男，太原人，研究生，主要从事海洋立管涡激振动的数值模拟(E-mail: fuqiang0429@)；娄敏(1981)，女，曲阜人，研究生，主要从事海底管道的疲劳分析(E-mail: haidaloumin@).文章编号：1000-4750(2005)04-0220-05海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究*郭海燕，傅强，娄敏(中国海洋大学工程学院，山东青岛 266071)摘要：以Francis Biolley 改进的van der Pol 尾流振子模型为基础，考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用，建立了海洋立管涡激振动微分方程，用Hermit 插值函数对立管微分方程进行离散，并用Miner 理论对立管的疲劳寿命进行分析，通过编程和实例计算，分析了管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。

结果表明，当管内流体流速变化使立管的固有频率接近漩涡脱落频率时，立管涡激振动响应将会增大，疲劳寿命将会显著减少。

关键词：海洋立管；涡激振动；管内流体；动力响应；疲劳寿命中图分类号：TU311.3 文献识别码：AVORTEX-INDUCED VIBRATIONS AND FATIGUE LIFE OF MARINERISERS CONVEYING FLOWING FLUID*GUO Hai·yan , FU Qiang , LOU Min(School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266071, China)Abstract: Based on Biolley‘s wake oscillator model, the differential equation for the response of the vortex-induced vibrations (VIV) of the riser is derived. The effect of the internal flowing fluid and the external marine environmental condition are taken into account. The effect of the internal flowing fluid on the response of VIV of the riser is studied using finite-element method. The fatigue life of the marine riser is analyzed by Miner’s theory. The effect of the internal flow velocity on the response of VIV and the fatigue life of the riser is analyzed. Results show that when the natural frequency of the riser is near the vortex shedding frequency due to the change of initial velocity, the response of the VIV will increase and the fatigue life of the riser will decrease greatly. Key words: marine riser; vortex-induced vibration; internal fluid; dynamic response; fatigue life海洋立管在石油工业生产中有着非常广泛的应用，同时也是薄弱易损的构件之一。

海洋立管的涡激振动

海洋立管的涡激振动48卷增刊2007年11月中国造船SHIPBUILDINGOFCHINAV o1.48Speci~NOV.2007文章编号:lo0O-4882(2o07)S一0369—05海洋立管的涡激振动娄敏(海洋石油工程股份有限公司,天津300451)摘要海洋输流立管是海面与海底井口间的主要连接件,是海洋基础结构的关键组成部分,作为海面与海底的一种联系通道,既可用于浮式海洋平台,又可用于固定式平台及钻探船舶.立管在波浪及海流的作用下易发生涡激振动(VIV),涡激振动是深水立管设计的一个主要控制因素.对海洋立管涡激振动的工程背景,研究现状进行了介绍,对所做的研究工作进行了总结,并提出了研究中的不足之处及进一步研究的建议.关键词:海油工程;海洋立管;涡激振动1引言目前深水油气开发常用的平台形式有深水固定式平台(FP),顺应塔式平台(CT),TLP平台,SPAR平台,FPSO和SEMI—FPS平台等.不管海洋油田开发采用何种平台方案,都需要使用海洋立管,它是海洋基础结构的关键组成部分.海洋立管是海面与海底井口间的主要连接件,作为海面与海底的一种联系通道,既可用于浮式海洋平台,又可用于固定式平台及钻探船舶.海洋立管具有多种可能的结构,如顶端张紧的立管(TTR),自由悬挂的钢悬链线立管(SCR),混合立管(HYBRIDSER)等.立管所承受的海洋环境荷载主要有风,浪,流,冰和地震荷载等,其中波浪和海流荷载是最重要的海洋荷载,受水流作用的工程结构都有可能产生涡激振动,任何具有足够陡峭后缘的工程结构在一定范围的雷诺数内都会脱落旋涡,使结构在与水流垂直的方向发生周期性的振动【IJ.因此,当波浪和海流流经立管时,在一定的流速条件下,可在立管两侧交替地形成强烈的旋涡(如图l所示),旋涡脱落会对立管产生一个周期性的可变力,使得立管在与流向垂直方向上发生横向振动;结构的振动反过来又对流场产生影响,使旋涡增强,阻力增加,这种涡激振动是小尺度部件流固耦合现象的具体体现.除了横向振动外,流体阻力可使立管沿流动方向发生纵向振动,不过在一般情况下,纵向振动比横向振动幅值约小一个数量级,频率约是其两倍.当旋涡脱落频率与立管固有频率接近时,将引起立管的强烈振动,旋涡的脱落过程将被结构的振动所控制,从而使旋涡的脱离和管道的振动具有相同的频率,发生"锁定"(1ock—in)现象.lock—in现象产生并不会马上对立管产生破坏,但会加剧立管的疲劳破坏,涡旋脱落现象在管道工程结构中诱发的大振幅振动,在工程实践中有着很重要的意义.2涡激振动研究现状图1立管涡激振动深水开发需要新方案和新技术来处理在浅水开发中遇不到的挑战,解决深水立管技术需要新型的370中国造船学术论文工业设计标准.第一个立管设计标准是APIRP2RD,然后是DNVOSF201,两个标准中都指出涡激振动荷载易引起立管疲劳破坏,在设计中要充分考虑,需采用当地的海流参数,进行立管涡激振动计算以确定其疲劳寿命及是否需要采用绕流装置,如需要,选择涡激振动绕流装置类型并确定其尺寸.因此涡激振动(VlV)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,其研究主要集中在①VIV数值模拟,②VIV实验研究,@VIV抑振技术3个方面.1)VIV数值模拟.目前对于VIV的数值模拟方法可以归纳为两大类:一类是通过直接求解Navier-Strokes方程的计算流体动力学法(CFD);另一类是通过实验数据确定流体作用力参数的半经验法.1997年,CarlM.Larsen&KarlH.Halse[】对柔性海洋结构的涡激振动计算模型在四种工况下进行了比较,包括DNV模型,LIC模型,MARINTEK模型,MIT-Triantafyllou模型,MIT-V andiver模型,NTH模型,UCL模型,其中只有DNV模型是采用计算流体动力学法.尽管涡激振动模型较多,但是数值模拟与实际工程情况还有一定的差距,需要进一步改进和修正涡激振动模型.2)VIV实验研究.目前国内外对于海洋立管涡激振动的试验研究基本上分为四类:室内无比尺试验,室内有比尺试验,室外无比尺试验,室外足尺试验.室内无比尺试验,试验费用较低且容易控制试验条件,用于探索规律性的试验研究;室内有比尺试验,一般需要建立深水试验室,试验条件比较好控制;对于室外无比尺试验及室外足尺试验,试验效果好,但是费用较高且试验条件不易控制. 3)VIV抑振技术.立管在涡激振动作用下会发生强烈振动,目前国内外学者及研究机构对VIV抑制做了大量的实验及数值模拟工作,通过扰流装置来抑制或削弱VIV,从而提高立管使用寿命.目前的绕流装置类型如图2所示J.{lL_i门...I二≥..=二_='一-=一…一一—lI一一:i',(——屯如j1.,一l—I￡:—一■dIt:--~f,[二=s申ot'I(a)Helicalstrake;(b)Shroud;(C)Axialslats;(d)Streamlinedfairing;(e)Splitterplate,(f)Ribbonedcable(曲Pivotedguidingvane;(h)Spo/lterplates图2绕流装置类型3涡激振动试验研究目前,国际上对海洋立管涡激振动的研究一般不考虑管内流体的流动作用,而实际上当管内介质流经挠曲的管道时,由于管道曲率的变化和管道的横向振动,流体发生加速,这些加速的力会反过来作用在管道上,引起管道的附加振动[4—7】.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.～～f一娄敏:海洋立管的涡激振动371笔者进行的涡激振动试验研究主要包括如下内容:(1)浅水刚性海洋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.试验装置图如图3所示,在立管模型的三个位置处布置应变片,记为位置l,位置2及位置3,在每个位置处,粘贴4个应变片,成90.布置,在x轴上的两个用来测量顺流向振动,Y轴上的两个用来测量横向振动. UZ▲lYl/,,匕————-.Y/一—I/厂,,一tf,./\\\删.\\\,\\=..图3浅水刚性立管试验模型装置图×(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,变化管内流体流速及管外流速,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.试验装置如图4所示.UZ●i/Y一xked一11#一—'2}L一'悻_—?—t77_厂'.=:.....I/厂一一\}\/『\"\//s0\g.u9e2\~gaug.图4深水柔性立管试验模型装置图372中国造船学术论文(3)海洋立管涡激振动数值模拟.考虑管道的可伸缩性,采用虚功原理,建立了立管振动方程,采用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,并通过MATLAP有限元程序进行编程计算.(4)试验与数值模拟结果对比.将试验中浅水刚性立管的参数及深水柔性海洋立管参数代入海洋立管涡激振动有限元程序中进行计算,将数值模拟结果与试验结果进行对比,比较其在振动幅值,振动频率及管内流体流动对涡激振动的影响方面的差异.4存在的问题及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:(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.在今后的试验中,对水下立管部分也应进行测量,使得立管振动数据更全面.(2)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.(3)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.5结语随着我国海洋石油工业不断向深海发展,对浮式海洋平台及浮式生产储运系统的需求将不断增加,对相应的立管系统技术的需求也将随之增加.涡激振动作为海洋立管疲劳破坏的重要因素应该引起足够的重视,根据海洋环境情况采用合理的涡激振动模型进行立管涡激振动计算以确定其疲劳寿命,并采用适当的绕流装置以减弱涡激振动响应.参考文献:…1Blevins,RD.Flow—inducedvibrations[M].2ndedn.NewY ork:VanNostrand&Co.,1990.[2]2LarsenCM.&HalseKH—Comparisonofmodelsforvortexinducedvibrationofslenderstructures[S],Marine Structures,1997,10,413—441.[3】3TechetAH..Seperatedflowsandvortexinducedvibrations[M].13.012Lecture,MIT,2002. [4】4MoeG,andChucheepsakulS.Theeffectofinternalflowonmarinerisers[A].7thIntematinal ConferenceonOffshoreMechanicsandArcticEngineering[C],1998.375—382.[5】5GUOHY,WANGSQ,Dynamiccharacteristicsofmarinerisersconveyingfluid[J].ChinaO ceanEngineering,2000,14(2):153.160.[6】6GUOHW ANGYBandFUQ.Theeffectofinternalfluidontheresponseofvortex.inducedvi brationofmarineriser[J].ChinaOceanEngineering,2004,18(1):11—20.[7】7LOUM,DINGJ,GUOHY andDONGXL,TheeffectofInternalflowonvortex-inducedvibr ationofsubmarinefreespanningpipelines[J].ChinaOceanEngineering,2006,19(1):147—154.48卷增刊娄敏:海洋立管的涡激振动373StudyontheV ortex—InducedVibrationofMarineRisersL0UMin(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)Abstract Marinerisersarethemainconnecterbetweenaplatfelrlnandthemouthofawellintheseabeda ndCanbeappliedtofloatingplatform,fixedplatformanddrillingshippingsystems.Therisersystem sincurrentandwavearepronetovortex—inducedvibrations(VIV)andVIVisaveryimportantcontrol~ctorinthe designofthedeepwaterrisersystems.Inthispaper,theVIVbackgroundand~searchstatusare brieflyreviewed,theexperimentalandnumericalsimulationworkofthewrierisintroducedandthes hortcomingstogetherwiththeresearchprospectareproposed.Keywords:riser;vortex—inducedvibration作者简介娄敏女,1981年生,工学博士.主要从事海洋工程结构研究.。

导向架隔水管在波流联合作用下的非线性动力响应

Ａｓｒｃ：ｏｓｅｉｇｔｅａ— ｎａｔｏｄｔｎｂｔｅｎｇｉｅｆｍｅａｄｔｅｆｅｒｌｇｕｉｒｅｕｊｃｅｖ－ｂｔｔＣｎｉｒｐｃｔｃｃｎｉｏｅｗｅｕｄ－ａｓｎｈｉｄｄｌｎｎｔｓｒｓｂｅｔｔｗａｅａｄｎｈｇｏｉｒｘｉｉｉｄｏ
文章编号：６３５０（０６０ —０４０１７ —０５２０）５０７ —４
导向架隔水管在波流联合作用下的非线性动力响应
畅元江，陈国明，许亮斌
（中国石油大学机电工程学院，山东东营２７６）５０１摘要：考虑了波流联合作用下固定式钻井装置隔水管与导向架之间的间隙一接触条件，讨论了非线性边界条件下瞬态动力学问题的求解方法。应用有限元法，将隔水管简化为海底泥面线下３ｍ处固支、下层平台简支、中间不同高度的横向振动被导向架限制的梁模型，采用ＡＹＮＳＳ软件，利用其ｃｍｂｔｎ０单元来模拟隔水管与导向架之间的间ｏｉｉ４ａｎｏ隙一接触条件，实例计算了百年重现期环境载荷下隔水管的动力响应，到了典型节点的位移一间历程和典型单元得时的等效应力一时间历程，成功实现了隔水管的强度校核。该计算结果为带导向架隔水管的设计与分析提供了参考。关键词：隔水管；向架；导间隙一接触；边界非线性；直接积分法
ｆａｅｔｄｆｅｅｔｅｅａｉｎ．ＵｓｇＡＮＳｏｔｒ，ｔｅｇｐｃｎａｔｃｎｉｉｎｂｔｅｒｅｒｅｎｉｅｆａｅｓｒｍｓａｉｒｎｌｖｔｆｏｉｎＹＳｓｆｗａｅｈａ — ｏｔｃｏｄｔｅｗｅｎｍａｉｓｒａｄｇｄｒｓｗａｏｎｉｕ－ｍｓｉｌｔｙｃｍｂｎｔｎ０ｅｅｎ．Ｔｈｏ —ｉｅｒｙａｉｅｐｎｅｏｒｉｅｒｓｒｕｄｒｏｅｈｎｒｄｙａｖｃｒｅｔｍｕａｅｂｏｉａｉ４ｌｍｅｔｄｏｅｎｎｌａｎｍｃｒｏｓｆｎｄｓｍａｎｉｎｅｎ－ｕｄｅ — ｅｒｅｗａｅｕｒｎ－ｅｖｒｎｎａａｓａｃｌｔ，ｔｅｄｓｌｃｍｅｔｔｉｏｙｏｙｉｌｏｅｄｅｕｖｌｎｔｅｓｔｉｔｒｆｙｉｎｉｍｅｔｌｏｄＷａｃｌｕａｅｏｌｄｈｉｐａｅｎ —ｉｈｓｒｆｔｐｃｄｓａｑｉａｅｔｒｓ－ｉｈｓｏｙｏｐ — ｍｅｔａｎｎｓｍｅｔ

水下串联立管涡激振动特性分析

0 引言随着世界各国对海洋探索的不断深入，深水油气藏资源成为各国争夺资源的主战场。

在水下油气的开采项目中，立管铺设是极为关键的一部分，它主要负责连接水上组块平台和水下井口，并完成采出液的运输工作[1]。

由于立管在水下容易受到风速、浪高和流速的共同作用，因此它会发生振动，严重时会导致立管管体发生疲劳受损甚至破坏。

当立管受到外界流体的冲击时，在管道流体内部会产生漩涡，当释放的漩涡对立管施加力的频率与立管的固有频率相接近时，管道会发生共振现象，从而导致结构振动响应增大。

在建设水下油气田的工程中，多立管组合形式的立管群被广泛应用，串联、并联等多种组合形式的立管群大大减少了施工时间，更有利于后续的管理和维护。

立管群中的立管尾流会产生相互作用，立管管壁会发生多变且随机的振动，这种现象会加速结构的机械损坏，严重缩短立管的使用寿命 [2]。

该文将ANSYS 作为模拟软件，针对串联立管的管道内涡激振动进行数值模拟，分析在不同顶部约束条件下，结构的振动响应和结构参数的变化。

1 数学模型ANSYS 进行流体流动模拟时遵循三大守恒定律，根据求解问题的不同，需要选择合适的组分守恒定律与湍流方程。

因为进行双向流固耦合要对结构进行计算，所以模拟时还需要满足动力学基本控制方程。

1.1 控制方程1.1.1 质量守恒方程质量守恒方程的微分方程如公式（1）所示[3]。

（1）引入矢量符号公式（1）可以写成如公式（2）所示。

ρu（2）式中：ρ为密度；t 为时间；u 、v 和w 为速度矢量u 在x 、y 、z 方向上的分量。

1.1.2 动量守恒方程动量守恒方程如公式（3）~公式（5）所示。

u（3）u（4）u（5）式中：P 为流体微元体上的压力；τxx 、τxy 和τxz 为因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力τ的分量；F x 、F y 和F z 为微元体上的体力，如果体力只有重力，且在z 轴向上，那么就有F x =0、F y =0和F 2=-ρg ；g 为重力。

深水钻井隔水管涡激振动预报及抑制关键技术创新与应用

深水钻井隔水管涡激振动预报及抑制关键技术创新与应用深水钻井隔水管涡激振动预报及抑制技术，这听起来像是一门高深莫测的学问对吧？但别急，我们一起来聊聊这个问题，看看它究竟是怎么回事，为什么又这么重要。

想象一下，你站在海边，看到那些巨大的钻井平台在海上漂浮，远远望去就像一座座小岛。

那里面的钻井设备可不是简单的东西，它们正在进行的，正是深水钻井作业，虽然看起来很平静，背后却有着千层浪。

你可能会问，这些平台上到底发生了什么？怎么和“涡激振动”扯上关系了呢？别急，我们慢慢来。

深水钻井可不是玩笑。

它是在几百米、上千米的海水下进行的作业，钻井平台就像是悬浮在水面上的“巨大浮筒”。

为了支撑这些平台稳定，平台上的设备都需要一种叫“隔水管”的东西。

隔水管就像一个长长的管道，穿过海水，从平台到海底，连接着钻井工具和平台上的设备。

这个东西看似简单，实际上却隐藏着一个大麻烦——涡激振动。

涡激振动是什么？用通俗的话说，就是水流过隔水管时，水流会在管子周围产生涡流，这些涡流会像顽皮的孩子一样，一阵风吹来就跟着管子摇晃，造成不小的震动。

你想象一下，水流一波接一波地“拍打”着隔水管，久而久之，这些振动就会传递到平台上，影响钻井作业的精度和安全性，甚至可能导致一些设备损坏。

问题来了，咱们怎么解决这个问题？怎么让这些涡流不再像个捣蛋鬼一样对设备进行“骚扰”呢？我们得从预报开始，了解这些涡激振动什么时候、以什么样的频率来袭，怎么预测这些振动的变化。

就像是打台风预报一样，搞清楚了风的方向和强度，你才能做好防范措施。

为了预测这些振动，科学家们运用了先进的数学模型和计算机模拟技术，通过海水流速、管道形状、海洋环境等多种因素的综合分析，建立了一个比较准确的涡激振动预报系统。

通过这个系统，操作人员可以在钻井作业之前就预测到涡激振动的发生时机和强度，然后提前做出调整。

预报只是第一步，接下来就得想办法抑制这些涡激振动了。

要知道，涡激振动是一种比较复杂的现象，解决起来也不是一蹴而就的事儿。

抗冰隔水管动力学响应分析

目录1概述 (2)2设计规范和设计标准 (2)3计算软件 (2)4总体结构 (2)5基本参数 (3)5.1 抗冰隔水管截面特性 (3)5.2 受力分析 (4)5.3 边界条件和单元类型及分析类型 (4)5.4 计算结果 (5)5.5 结论 (6)1 概述抗冰隔水管在动荷载作用下（如环境荷载，锤击荷载），其结构的力学响应对其海洋施工有着极重要的意义。

建立在报告KB-05(模态分析)分析的基础上，综合考虑破浪荷载和锤击力周期荷载的作用下，对其进行动力学响应分析。

2 设计规范和设计标准1.《滩海环境条件与荷载技术规范》SY/T 4084-952.《机械设计手册》第4版化学工业出版社3. 《结构振动分析》, C.F.比尔茨3 计算软件ANSYS12.04 总体结构抗冰隔水管总装配图如图4-1所示。

图4-1 抗冰隔水管总装配图5 基本参数材料：Q345D弹性模量：2.1e11 MPa泊松比：0.3mm抗冰隔水管直径D:850最大锤击力P t：20000 KN锤击频率：0.5～0.67 Hz最大波浪力P max：34.751 KN (见报告KB-02)波浪频率：0.1429 Hz结构阻尼系数：0.006模态分析结果：5.1 抗冰隔水管截面特性长度单位：mm ;面积单位：mm2;惯性矩单位：mm4;5.2 受力分析为简化计算，将抗冰隔水管的下部模拟为一刚性固定端。

刚性固定端位于设计泥面垂直向下H2（m）处。

设计泥面的位置在自然泥面下的距离应按地质条件决定。

H2值按下列经验公式确定：缺乏土壤资料时：H2=6.0D=5.1m。

如图5-1所示。

另一端铰于海洋平台上。

图5-1 抗冰隔水管受力简图5.3 边界条件和单元类型及分析类型所用单元类型：Beam4。

其有限元模型及边界条件如图5-2所示。

采用谐波响应分析法分析（Harmonic Response Analysis）结构动力学响应问题。

综合考虑环境荷载频率分布现状，现设定：谐波响应频率：0～2Hz。

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析

基于有限元的深水隔水管涡激振动分析沈国华;王儒朋【摘要】深水隔水管是深海石油钻采作业中的一项关键装备,其技术与产品一直被国外专业公司所垄断,国内尚无国产化产品成功应用的案例.在工程现场应用过程中,涡激振动是导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏严重的主要原因之一.采用有限元分析方法,模拟深水隔水管在深海环境下的工作状态,结合控制变量法,应用模态分析和涡激振动理论,分析了涡激振动对深水隔水管强度和疲劳寿命的影响,并且从理论上给出了降低隔水管疲劳破坏的方法和建议.【期刊名称】《天津科技》【年(卷),期】2018(045)003【总页数】3页(P43-45)【关键词】有限元;深水隔水管;模态分析;涡激振动【作者】沈国华;王儒朋【作者单位】中海油能源发展装备技术有限公司天津300452;中海油能源发展装备技术有限公司天津300452【正文语种】中文【中图分类】TE9510 引言随着海洋石油的勘探和开发逐渐进军深水领域，深水钻井船和平台的使用量也将不断增长。

隔水管作为水下井口和钻井平台之间的重要部件，其主要功能是隔离海水、引导钻具、循环钻井液等[1]。

在海水流经隔水管时，可能产生周期性的振动，即涡激振动，易导致隔水管疲劳损伤乃至井口破坏等严重后果[2]。

在深水海域，由于隔水管泥线以上长度的增加，隔水管相对刚度降低，海流对钻井隔水管强度和稳定性影响加剧。

当隔水管的固有频率与海流产生的涡激频率相近时，将导致隔水管振幅加大[3]，因此，对深水隔水管进行模态分析是对涡激振动开展研究的第一步。

本文采用有限元分析软件ANSYS对深水隔水管的模态进行分析，进而对涡激振动开展研究并得出结论，将有助于在施工中选择合理的入泥深度和隔水管尺寸，为工程上的应用提供理论支撑和科学依据。

1 深水隔水管有限元分析的基本假设由于隔水管在深水条件下受力情况复杂，在建立模型之前，有必要做出一些假设：隔水管不考虑压井、阻流线等影响，认为均质、各向同性、线弹性材料；隔水管简支，上端与浮式钻井装置相连；自重、外载作用下属于小应变大变形问题，不考虑连接处的影响；管内充满钻井液，不考虑钻柱对隔水管抗弯刚度的影响；洋流力、波浪力作用在同一平面内，即假设隔水管受力为最危险的情况。

风浪流共同作用下海上风电基础动力响应与承载性能分析

风浪流共同作用下海上风电基础动力响应与承载性能分析风能是一种洁净无污染的可再生能源, 其在优化能源结构与改善环境中具有重要的意义, 是许多国家大力推广的新型能源。

同陆上风能相对比, 海上风能具有低耗能、高产出的优点。

我国有7.5 亿千瓦的风能资源, 沿海一带从辽宁到山东,再到江苏、浙江、福建、广东、海南,均蕴藏着丰富的风能资源,但由于海洋环境条件的复杂性, 开发利用近海风资源的规模和效益受到很大的制约; 而风、波浪和海流等作为近海主要环境荷载对近海风机的正常运行起到决定性作用。

目前国内外学者针对陆上风电基础的研究较多,但由于海陆环境差异较大, 陆上风电基础的研究方法和成果不能完全适用于海上风电基础, 因此需要针对复杂海洋环境下的海上风机和基础进行研究分析, 得到适用于海上风电基础的研究规律,从而为海上风电基础的设计和施工提供重要的参考依据。

为此，本文基于大型有限元软件COMSO以江苏盐城响水风电场项目为工程背景, 建立了风浪流共同作用下海上风电基础动力响应与承载能力分析的有限元模型, 对风浪流作用下的海上风电基础进行了动力响应与承载能力分析, 具体研究工作如下:1 、对作用在海上风机系统上的风浪流荷载进行了推导计算。

本文首先采用谐波叠加法结合风荷载计算公式模拟得到了近海风电场的风荷载时程; 然后基于波流相互作用理论, 采用非线性波浪理论并结合Morison 方程对近海风机受到的波流荷载进行了计算, 推导出了波流荷载的计算公式; 最后基于二阶Stokes 波浪理论对作用在海床表面上的波浪压力进行计算, 得到了波浪压力的计算公式。

2、对风浪流共同作用下的海上风电基础与海床的动力响应进行了分析。

基于海上风电基础与海床动力相互作用的有限元模型, 本文采用Turkstra 准则对作用在海上风机系统上的三种主要荷载进行了荷载组合, 对不同荷载组合条件下风机系统的塔筒的水平位移、竖向应力以及基础的水平位移等进行了动力分析同时对风浪流荷载共同作用下桩基础周围海床的超孔隙水压力响应进行了计算考察了不同的荷载参数对海床超孔隙水压力的影响。

海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究_王成官

项离散格式为二阶向后欧拉格式（Second Order Backward Euler），时间步长 t = 0.001 s 。
3.2 静止流场结果分析
图 2 为静止流场升阻力系数曲线图。稳定后阻力系数平均值为 1.275，是典型的亚临界流动。
3 算例分析
图 2 静止流场升阻力系数曲线
3.1 计算模型的建立
2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240; 3. 中海石油研究中心, 北京 100027）
摘要：流体场采用 k − ω 湍流模型进行三维 CFD 数值模拟，固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模
拟，通过一种新的方法实现流-固耦合交界面的无缝数据交换，参考 Lehn（2003）长径比为 482 的模型实验完成隔水管
本文参考 Lehn[14]的实验建立模型，参数见表 1。流体为海水，密度 ρ = 1025 kg / m3 ，动力粘度系数
μ = 1.1055 ×10−3 Pa ⋅ s 。均匀来流速度 U = 0.42 m / s ，雷诺数为 7800，流动处于典型的亚临界流动区域。
隔水管轴线与流场速度入口边界距离为 10D，与出口边界距离为 30D，与两侧对称边界距离为 10D。本文使用较精密的平面网格体系，如图 1 所示，并沿管体轴线方向拉伸建立跨度比较大的层状三维网格体系。
流向与横向涡激振动的三维数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好，都反映了多阶振动模态特性。引入激发速度解
释了多阶振动模态的现象。进一步分析表明，大长径比柔性隔水管发生涡激振动时流场尾流区涡的脱落呈现多种涡结
构模式，尾涡动力特性在不同截面的变化体现出明显的三维特征。同时隔水管振动时出现非对称弯曲大变形现象，运

风浪流作用下隔水导管强度及安全性计算

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200
中国海上油气
2006 年
θ,而且最大拖曳力 FD ,max 和最大惯性力 FL ,max 并不发生在同一个波浪相位上 ( 当 FD ,max 为最大时 , FL ,max 为零 ,反之亦然) 。海流作用力可以与波浪力同时计算 , 只需将海流速度叠加到波浪力公式中的水平速度上即可 , 这是最恶劣的工况。
( 8 ) 式代入波力积分式 d F = 将 (7) 、
ux u x + CMρ 1 CDρ D× 2
式中 : p 为基本风压 , Pa ; g 为重力加速度 , m/ s2 ;γ 为空气密度 ( 在标准大气压、气温 15 ℃ 时 , 干燥空气的密度为 11 225 kg/ m3 ) ; v 为风速 ,m/ s 。隔水导管的存在使得其周围的气流流速和流向发生改变 ,因此 ,气流对隔水导管的动压力将随其位置不同而不同 ( 物体迎流面承受正向风压力 ,物体背流面承受负向风压力 ,即吸力) 。而风对整个隔水导管 ( 或构件) 上的总作用力 F 则为基本风压 p 、构件迎风面积 A 及气流作用力系数 C 的乘积 ,即
轴向载荷由管体支撑 ,可能引起两方面变形 ,即轴向压缩和横向失稳。隔水导管 ( 下端固定 ,上端为铰支) 受力与变形模型如图 2 所示 [ 2 ] 。隔水导管变形弹性线方程近似选用只有一个集中力作用时的形式 ,即
y =δ[ ( sin k1 x
-
k1 x ) + k1 L ( 1
-
co s k1 x ) ] ( 1 )

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤
王金龙;盛磊祥
【期刊名称】《中国海洋平台》
【年(卷),期】2024(39)1
【摘要】介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration(VIV)疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。

所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。

【总页数】6页(P33-37)
【作者】王金龙;盛磊祥
【作者单位】中海油研究总院有限责任公司钻采研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TE973
【相关文献】
1.线性剪切流中深海立管顺流涡激振动响应及疲劳损伤研究
2.海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度的影响
3.超深水钻井隔水管-井口系统涡激振动疲劳分析
4.横流向涡激-参激耦合振动下深水钻井隔水管疲劳损伤预测
5.南海西部边际油田隔水导管入泥深度及涡激振动影响分析
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海洋钻井隔水管系统涡激振动安全评估研究的开题报告

海洋钻井隔水管系统涡激振动安全评估研究的开题报告
一、研究背景
隔水管是海洋钻井作业的关键部件之一，隔水管系统的稳定性对于钻井作业的成功至关重要。

然而，在海洋环境中，隔水管系统常常会受到涡激振动的影响，导致管
道疲劳破坏和泄漏事故的发生。

因此，对隔水管系统的涡激振动进行评估和控制，具
有重要的理论和实际意义。

二、研究内容
在分析隔水管系统涡激振动机理的基础上，本研究将开展以下工作：
1. 建立隔水管系统的数学模型，包括管道、液体和周围环境的物理参数，并通过ANSYS等软件进行有限元仿真。

2. 对隔水管系统的涡激振动机理进行深入研究，包括涡旋结构、振荡频率和振幅等方面的分析。

3. 进行涡激振动的风险评估，建立相应的评估标准和方法。

4. 根据评估结果，提出有效的涡激振动控制措施，例如安装减振器、改善管道结构等。

三、研究方法
本研究主要采用数值模拟方法，包括有限元分析和计算流体力学（CFD）模拟等，对隔水管系统的涡激振动进行分析和评估。

四、研究意义
本研究有助于提高海洋钻井作业的安全性和稳定性，为隔水管系统的设计和优化提供科学依据，减少涡激振动引发的事故和损失。

同时，研究结果还将为其他海洋结
构的涡激振动控制提供参考和借鉴。

隔水管涡激动力响应及疲劳损伤可靠性分析的开题报告

隔水管涡激动力响应及疲劳损伤可靠性分析的开题报告
一、研究背景
隔水管广泛应用于核电站中，其主要作用是使振动和噪声减小，保障核反应堆的运行安全。

由于隔水管在长期运行过程中会受到很多因素的影响，如流体压力、温度变化等，因此其存在一定的疲劳损伤风险。

为了保证其运行安全，需要对隔水管的涡激动力响应及疲劳损伤可靠性进行研究分析。

二、研究内容
本研究将主要从以下两个方面展开：
1. 隔水管涡激动力响应分析
通过建立隔水管的数值模型，模拟流场分布及流体作用力分布，计算隔水管在不同流体作用力下的振动响应及涡激动力。

研究不同流体条件下隔水管的共振频率和振动幅值，为下一步疲劳损伤分析提供依据。

2. 隔水管疲劳损伤可靠性分析
通过构建隔水管疲劳损伤模型，考虑各种不同的因素，如压力波、温度变化、流体作用力等，计算隔水管在长期运行下出现疲劳损伤的概率及可靠性水平，提出相应的疲劳寿命评估方法和寿命预测模型。

三、研究意义
本研究可以为核电站隔水管的安全运行提供科学依据，为核电站的安全稳定运行保驾护航。

同时，研究成果也可以为其他输送管道的涡激动力响应和疲劳损伤可靠性分析提供借鉴。