海洋立管涡激振动的研究现状_热点与展望

第27卷　第4期2009年12月

海 洋 学 研 究

JOURNAL OF MARINE SCIENCES

Vol.27　No.4

Dec .,2009

文章编号:10012909X (2009)0420095207

收稿日期:2008210218

作者简介:黄旭东(1969-),男,天津市人,副教授,主要从事工程测量及海岸结构物设计理论研究。

海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望

黄旭东1,张　海1,2,王雪松1

(1.天津城市建设学院土木工程系,天津　300384;2.天津大学建筑工程学院,天津　300072)

摘　要:随着深海油气资源的开采,越来越多的研究者开始关注海洋立管的涡激振动问题。在海洋环境下,洋流是海洋立管的涡激振动的主要原因。当洋流流经立管时会在立管的两侧产生交替的泄涡,导致立管受到横流向和顺流向的脉动流体力。这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因。海洋立管的涡激振动是一个异常复杂的工程问题,它涉及许多科学上悬而未决的难题,如紊流、流动分离、分离点的漂移等等。此外,事先无法确定的立管的位置和立管与洋流之间的相互作用又大大增加了解决这一问题的难度。尽管近几十年里科学界在此方面做了大量的研究工作,一个能够准确、高效、经济地预报海洋立管涡激振动的方法仍然没有得到。即便如此,最近的研究工作依然在许多方面作出了突出的成就。首先介绍了涡激振动的背景知识和基础理论。随后,回顾了近年来海洋立管涡激振动方面的研究成果。接着,重点介绍了当前海洋立管涡激振动领域内的两个热点研究问题,即:在多大程度上立管的顺流向振动能够影响立管的横流向振动,以及尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动响应的。最近的研究发现,当结构与流体的质量比小于6时,顺流向振动能显著增大横流向振动的振幅。最近的研究还发现,立管尾流的三维特性和立管受到流体力的轴向相关度有密切关系。随着流动的发展(海流折合速度从0增加到12),立管尾流的三维特性发生变化,在初期,立管尾流的三维特性不明显,流体力的轴向相关度基本等于1,也就是说,流体力和立管的位移响应是同步的,因此能量不断地由海流向立管转移,导致立管的振幅不断增大。当海流折合速度大于6时,流体力的轴向相关度由1锐减到负值,此时,立管尾流的三维效应显著。最后针对今后海洋立管的涡激振动的研究提出一些建议。

关键词:涡激振动;海洋立管;综述

中图分类号:TE53 文献标识码:A

0　引言

在陆地石油资源开采日渐萎缩的今天,加速开发海洋石油资源已经成为世界各国的共识。据不完全统计,世界海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%,全球海洋石油蕴藏量约为1000多亿t ,其中已

探明的储量约为380亿t 。在我国300多万km 2的蓝色国土中,约有360亿t 石油资源量。其中,我国南海是世界4大海洋油气资源带之一,其石油储量约为230～300亿t ,号称全球“第二个波斯湾”。

海洋立管是深海石油生产系统的关键组成部分,

它是联系水面平台装置和海底设备的重要通道。因此,准确计算出海洋立管在实际海洋环境中受到的载荷,及其在荷载作用下的动力响应,具有重要的经济价值和社会效益。在海洋环境中,激发立管振动响应的主要因素是海流引起的涡激振动(Vortex 2induced Vibration ,V IV )。当海流流经立管时,会在立管两侧的尾流区发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联,立管受到横流向及顺流向的脉动水压力作用后将引发振动。在海流引发交替泄涡导致立管振动的同

时,立管振动反过来又会影响海流的尾流结构,进而改变立管上的脉动水压力分布。这种海流2立管相互作用的问题被称作海洋立管的涡激振动。涡激振动本质上是一个强烈非线性的、自激的(self2excited)和自限的(self2limited)振动现象,具有多自由度的特点。

海洋立管的涡激振动涉及许多科学上的难题,如紊流、流动分离、剪切层的不完全转捩以及分离点的漂移等,且流体运动与未知结构响应的高度耦合更增加了解决这一问题的难度,至今学术界尚未彻底解决这一难题。海洋立管涡激振动响应的机理研究一直是海洋工程领域中的重要前沿课题。

1　国内外的研究现状

经过数十年对涡激振动的研究,学术界虽然还未把握涡激振动的机理,但仍取得了许多阶段性的成果,构成了当今涡激振动研究的基石。从研究方法上来分,涡激振动的研究主要有模型实验研究、经验模型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。

涡激振动研究是从实验研究开始的。在过去的近半个世纪中,许多学者都研究过弹性支撑柱体(多数为圆柱体)自激振动的运动和动力特性,其中影响最为广泛的是FEN G[1]在风洞中对单自由度弹性支撑的圆柱体所做的实验;随后,更多的研究者[2-4]在水槽中完成了类似的实验,得到了当前工程界更为关注的以海洋立管为代表的低质量比(m3)(结构与所排开水的质量之比)和低阻尼比(ξ)的圆柱体的涡激振动特性。最近,KHAL A K et al[5-6]、GOVA RD2 HAN et al[7-8]对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体做了一系列实验,这些实验代表了当前圆柱体结构物涡激振动实验的最高水平。

在经验模型方面,HA R TL EN et al[9]开创性地建立了弹性支撑柱体涡激振动的横流向振动响应以及流体力的经验模型———尾流振子模型。随后, S KOP et al[10-11]对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中。近年,又有学者[12-13]对其进行了修正与改进。在国内,GUO et al[14-15]、郭海燕等[16]考虑了立管内流对立管涡激振动的影响,对尾流振子模型进行了改进。

在数值模拟方面,按照不同的紊流模型,涡激振动的CFD模拟方法可以大体分为4类:离散涡(DVM)方法[17-18]、RANS方法[19-21]、L ES方法[22-23]以及DNS 方法[24-25]。在这些方法中,DNS方法的精度最高,但其计算效率最低,对工程应用来讲明显不合适。当前可行的方法是通过使用RANS方法(结合适当的紊流模型)和L ES方法(采用适当的亚网格尺度模型),在保证一定计算效率的前提下,开发出满足工程应用的程序。除了紊流模拟,CFD方法还面临着另一个重要的问题———动边界技术问题。柱体的涡激振动意味着计算流场边界的变动,现在普遍采用的处理动边界的方法是使用可变形的Lagrangian网格[26]。然而,由于此类方法需要每计算一个时间步长生成一次网格,因此需要耗费相当多的计算时间。兼顾效率与精度的处理方法是采用固定的Eulerian网格,但需引入特定的方法来模拟流体与结构之间的相互作用。在此方面,比较成功的当属Fictitious Domain met h2 od(FDM)方法[27-29]和Immersed Boundary met hod (IBM)方法[30-31]。

2　存在的问题及发展动态

当前,海洋立管涡激振动机理研究的热点主要集中在两个方面:海洋立管的顺流向振动和海洋立管尾流的三维效应对其振动响应的影响。

如果不限制海洋立管涡激振动响应的自由度,那么其会在相对于来流方向的横流向和顺流向两个方向上发生振动。一般认为,立管的顺流向振动频率是横流向的2倍,且顺流向振动的振幅比横流向的小1个数量级。以往的大部分研究均忽略了立管的顺流向振动,仅针对立管作横流向振动的情况进行研究。这样做使问题处理起来相对简单,而顺流向振动究竟在多大程度上改变立管的振动响应,学术界对此还存在许多争论。近期,J AUV TIS et al[32]对横流向和顺流向具有相同质量比(m3)和固有频率(f n)的弹性支撑圆柱体进行了涡激振动实验,实验时雷诺数为1000～6000。结果表明,即便当质量比降到1时,考虑顺流向振动的圆柱体的横流向振动最大响应振幅仅仅比不考虑时增大10%,即无量纲横流向振动最大响应振幅(A3V=A V/D)约为1.1(以往的仅考虑横流向振动的研究表明,由于涡激振动具有自限性,无论如何改变质量比和阻尼参数,无量纲横流向涡激振动振幅的最大值约为1.0,其中A V为结构的横流向振幅,D为结构的直径)(图1)。需要说明的是,涡激振动的最大振幅决定了结构的最大响应应力,是评估结构疲劳破坏的重要参数。此外,J AUV TIS et al[32]的实验还发现,无量纲顺流向振动的最大幅值(约为0.1)出现在折合速度(U r)为3.5的附近,且有两个峰

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