海洋深水立管涡激振动实验研究的发展状况
钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究
第53卷 第10期 2023年10月中国海洋大学学报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A53(10):063~073O c t .,2023钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究❋李效民,柳润波,顾洪禄,李福恒,郭海燕(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘 要: 为研究海流作用下钻井立管在下放安装过程中的涡激振动(V o r t e x -i n d u c e d v i b r a t i o n ,V I V )响应特性,本文基于光纤光栅应变传感器技术,考虑立管下部组件(L o w e r m a r i n e r i s e r s p a c k a ge ,L M R P )设计制作了多种钻井模型立管,对其下放安装过程中自由悬挂状态下的动力响应进行了水槽实验研究㊂实验制作了具有移动滑轨的下放装置,测试得到了0.4m /s 的均匀水流下模型立管动态应变响应时程曲线,并基于有限元法求得立管模型的固有频率和振型函数,再利用模态叠加法重构了立管模型位移响应㊂分析结果表明:立管在横流向(C r o s s -l i n e ,C F )的应变大于顺流向(I n -l i n e ,I L )的应变,但两个方向的频率相同;自由端顺流向位移随L M R P 质量增大而减小,但当质量超过管重时位移变化趋于稳定;自由端最大振幅受底部L M R P 质量的影响较小,约为立管最大振幅的十分之一㊂关键词: 钻井立管;安装下放;立管下部组件;模态叠加法;涡激振动中图法分类号: T U 311.3 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)10-063-11D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20230005引用格式: 李效民,柳润波,顾洪禄,等.钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(10):63-73.L i X i a o m i n ,L i u R u n b o ,G u H o n g l u ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y o n v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n r e s p o n s e o f d r i l l i n g r i s e r d u r i n gl o w e r i n g a n d i n s t a l l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(10):63-73. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(51979257);山东省自然科学基金项目(Z R 2019M E E 032)资助S u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (51979257);t h e S h a n d o n g Pr o v i n c i a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n ,C h i n a (Z R 2019M E E 032)收稿日期:2023-01-07;修订日期:2023-02-20作者简介:李效民(1982 ),男,博士,副教授,主要研究方向为海洋工程结构动力分析㊂E -m a i l :l x m 0318@o u c .e d u .c n海洋立管是连接海洋平台和海底设备的纽带,是深水油气资源开发的核心构件㊂深海钻井立管力学性能特殊,是薄弱易损构件之一㊂在安装过程中立管底部处于悬空状态,水下长度随着立管下放逐渐变长,且下端没有任何约束限制㊂此时,相比于已经安装完成的立管,悬挂式立管更脆弱㊁不稳定,下放过程中产生的涡激振动也会加速立管的疲劳破坏,这导致其在复杂海洋环境下的安装窗口时间大大缩短,因此必须保证立管在安装时的整体稳定性㊂如何在复杂海况下安全㊁快速地安装钻井立管已经成为海洋立管研究中的关键问题之一㊂当前关于立管安装过程的研究主要集中在数值模拟方法上㊂林秀娟等[1]开发了一个用于深海采油树下放安装的分析模型,可以分析立管的动态响应㊂龚铭煊等[2]考虑不同边界条件建立了悬挂立管力学模型,使用有限元方法对下放到不同水深时立管的力学特性进行了研究㊂H u 等[3]基于有限差分法将立管近似离散成多个刚性段,建立了不同边界条件㊁不同水深下的动力模型,分析了安装下放时不同长度立管的动态响应㊂W a n g 等[4-6]采用变分法分析了立管安装过程中的应力㊁变形和振动特性,并基于立管安装时的力学行为,给出了立管安装时的安全操作窗口㊂W a n g 等[7]把水下集束管汇的安装分成3个阶段,并用O r c a F l e x 软件对其安装过程进行了建模分析㊂L i u 等[8]建立了一个有限元模型,用于研究紧急疏散条件下深水钻井平台立管系统的动态行为㊂T i a n 等[9]通过有限差分法建立了一个双立管模型,将生产立管和安装钻井立管串联布置,考虑生产立管干扰效应,研究了水深㊁立管壁厚和水下防喷器质量对钻井立管安装的影响㊂L i u等[10]建立了一个考虑复杂边界条件的数学模型,将立管简化为弹性杆和块体的组合,研究了深水钻井立管在提升工况下的轴向振动㊂而当前相关的实验研究还仅限于软㊁硬悬挂立管以及相关模型的动力响应,并未考虑立管的下放过程㊂G a o 等[11]对均匀流中自由悬挂圆柱体的轨迹和流态进行了实验研究,探究了外部流速对圆柱体轨迹响应和尾流模式的影响㊂W a n g 等[12]对深水井中自由悬挂式立管在船舶运动下的动力响应进行了实验研究,研究表明船舶运动引起的涡激振动导致立管受到的阻力显著增大㊂M a o 等[13]基于应变仪测试技术对悬挂式疏散Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年立管进行了模型实验,考虑轴向拉力和立管下部组件(L o w e r m a r i n e r i s e r s p a c k a ge ,L M R P )质量等因素的影响,采用有限元特征值法分析了悬挂立管的固有频率和振型㊂J u n g 等[14]对自由悬挂立管在静水中的受迫振动进行了数值和实验研究㊂F r a n z i n i 等[15]研究了倾斜圆柱体在水流中的动力响应,得出了一定雷诺数范围内倾斜圆柱体的涡激振动新测量值㊂综上所述,国内㊁外学者大多是对下放到特定阶段的立管进行研究,并未对立管安装下放的连续过程进行实验研究,也没有深入了解安装下放时立管的涡激振动特性,对带有重型L M R P 的悬挂式立管在安装下放过程中变形机制和振动特性的了解还远远不够㊂为进一步探究钻井立管下放时的动力响应,本文基于光纤光栅技术设计了悬挂立管模型的安装下放实验,通过有限元法分析了模型的固有频率和振型函数,再通过模态叠加法重构立管位移,研究并分析了底部悬挂不同质量的L M R P 对立管安装下放过程中动力响应的影响㊂1 实验描述1.1实验装置实验在中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室波流水槽进行,水槽长60m ㊁宽3m ㊁深1.5m ㊂在实验过程中,水流发生器模拟了流速为0.4m /s 的均匀水流,并在实验支架前2m 处安装了多普勒测速仪,用来实时监测立管下放过程中的水流速度,实验装置如图1所示㊂在开始下放前,立管完全露在水面以上,立管模型上端通过万向节连接到可以上下滑动的支架顶板上,立管底部是自由端,通过万向节悬挂着不同质量的柱型铁块,用于模拟L M R P 重物,铁块底部紧贴水面,如图2所示㊂实验支架和实验槽之间通过夹紧装置固定,防止在水流作用下支架与模型之间的耦合振动㊂图1 实验装置图F i g .1 S k e t c h o f e x pe r i m e n t a l d e v i ce 图2 立管模型图F i g .2 D e t a i l d r a w i n g of r i s e r m o d e l 等到多普勒测速仪显示水流速度稳定时立管开始下放㊂实验通过绞盘来控制绞线实现立管的匀速下放,开始下放的同时采集应变传感器数据,待立管底部触底时停止采集㊂由于支架上顶板的重力远大于滑轨的摩擦力,故绞盘绞线的释放速度可以看作是顶板的下放速度㊂定制绞盘的小齿轮每转动10齿,支架上顶板就会下降0.03m ㊂水槽的水深控制在1.2m ,实验保持每秒一齿的下放速度,400s 后立管下放到水槽底部,实验工程设置如表1所示㊂表1 工况设置T a b l e 1 W o r k i n g c o n d i t i o n d e s i gn 参数①工况②1234L M R P 质量③/k g0.50.81.11.4水流速度④/(m /s )0.40.40.40.4下放速度⑤/(m /s )0.0030.0030.0030.003下放时间⑥/s400400400400N o t e :①P a r a m e t e r ;②C o n d i t i o n ;③L M R P m a s s ;④W a t e r v e l o c i t y;⑤L o w e r i n g s p e e d ;⑥L o w e r i n gt i m e 1.2立管模型设计在测试了各种类型管道的机械性能并考虑了刚度46Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究和模态要求之后,选择透明有机玻璃管作为立管模型材料㊂立管模型主要参数如表2所示,横截面和应变传感器布置如图3所示㊂立管模型由有机玻璃管和紧贴在管上的光纤光栅应变传感器组成,沿立管长度均匀布置6个应变测试点,其中1号测试点的一端为立管模型顶部,6号测试点的一端为立管模型底部㊂每个测试点(绕管一圈)布置4个应变传感器,2个在横流(C r o s s-l i n e,C F)方向,2个在顺流(I n-l i n e,I L)方向,测试点间距为0.30m,立管顶端和底端留有0.25m的边距,应变仪的采样频率为1000H z㊂表2立管模型的主要参数T a b l e2 M a i n p a r a m e t e r s o f t h e r i s e r m o d e l 参数P a r a m e t e r数值V a l u e 长度L e n g t h L2.0m 水深W a t e r d e p t h Z1.2m 泊松比P o i s s o n's r a t i oν0.32立管密度R i s e r d e n s i t yρ0.31k g/m 外径E x t e r n a l d i a m e t e r D o16m m 内径I n t e r n a l d i a m e t e r D i14m m 弹性模量E l a s t i c m o d u l u s E1.5G Pa图3应变传感器布置示意图F i g.3 A r r a n g e m e n t o f s t r a i n s e n s o r s2位移重构2.1模态叠加法实验使用光纤光栅应变传感器测量立管的应变响应㊂根据L i等[16]的数据处理方法,V I V在C F方向和I L方向引起的弯曲应变可以写成:εV I V-C F=εC F1-εC F22,(1)εV I V-I L=εI L1-εI L2-εI L1-εI L22㊂(2)式中:εV I V-I L和εV I V-C F分别是涡激振动在I L和C F方向上引起的平均应变;εC F1㊁εC F2㊁εI L1和εI L2分别表示在位置C F1㊁C F2㊁I L1㊁I L2的原始应变采样数据㊂为了消除环境噪声对测量应变的影响,本文使用带通滤波对实测应变进行滤波,滤波范围为0.5~19H z㊂基于应变数据,根据模态叠加法可以获得立管的V I V位移响应㊂只要沿立管布置足够数量的传感器,且位置合理,就可以通过模态叠加法得到任意位置的位移响应㊂根据模态叠加法,立管位移响应y为不同模态函数的线性叠加:y(z,t)=ðN n=1ωn(t)φn(z),zɪ(0,L)㊂(3)式中:ωn(t)是模态权重;φn(z)是模态函数;z是沿立管轴向位置,单位是m;t是立管下放时间,单位是s㊂对于本文中的立管模型,弯曲应变ε和曲率κ之间的关系可以表示为:κz,t=εz,t/R㊂(4)式中R是立管模型的外半径㊂根据几何关系,曲率值可近似为位移相对于空间变量的二阶导数:2yz2ʈκ(z,t)㊂(5)通过将式(5)代入式(4),可以得到式(6):56Copyright©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年εz,t/RʈðN n=1ωn(t)φᵡn(z),zɪ(0,L)㊂(6)式中N是立管模型振动涉及的最高振型数㊂2.2频率及振型分析使用有限元法对立管模型的前6阶固有频率和振型进行计算,计算结果如表3㊁4和图4所示㊂由于几何对称性,立管模型在I L和C F这两个方向上的固有频率和模态相同㊂表3展示了没有悬挂重物和底部悬挂不同重物时立管模型的前六阶频率㊂悬挂重物的立管模型频率要明显低于普通立管模型频率,且重物质量越大,频率降低的幅度越小㊂表4展示了考虑水流附加质量影响的悬挂0.8k g重物立管模型在下放过程中的频率变化,随着立管的下放,附加质量逐渐增大导致了立管的振动频率逐渐变小㊂图4(a) (f)展示了悬挂立管模型和普通悬臂模型的前六阶振动模式㊂悬挂重物不会影响立管振型的振幅,只会影响立管振型底部的位移,立管底部悬挂的重物相当于给立管增加了一个约束,限制了立管底部的位移,变成了类似于简支梁的振型㊂表3立管模型的前六阶固有频率T a b l e3F i r s t s i x n a t u r a l f r e q u e n c i e s o f r i s e r m o d e l阶数O r d e r无重物N o w e i g h tL M R P质量L M R P m a s s0.5k g0.8k g1.1k g1.4k g 12.391.671.651.601.58 27.736.276.216.196.17 316.1313.9113.8513.8213.81 427.5924.6024.5824.5224.50 542.1038.3538.2938.2638.25 659.6755.1658.1155.0755.05表4悬挂0.8k g重物立管模型下放过程中的频率变化T a b l e4F r e q u e n c y v a r i a t i o n o f0.8k g h e a v yr i s e r m o d e l d u r i n g l o w e r i n g阶数O r d e r未下放N o t l o w e r e d下放时间L o w e r i n g t i m e100s200s300s400s 11.651.641.611.541.45 26.216.135.785.655.59 313.8513.4012.9512.6112.07 424.5823.5123.1022.0921.48 538.2936.6835.5334.7133.65 658.1153.0351.2349.4847.85图4悬挂0.8k g重物立管模型与无重物悬挂立管模型的前六阶振型比较F i g.4C o m p a r i s o n o f t h e f i r s t s i x m o d e s o f t h e0.8k g h e a v y r i s e r m o d e l a n d t h e w e i g h t l e s s r i s e r m o d e l66Copyright©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3 结果与讨论3.1立管模型V I V 特性结合上述方法分析当流速为0.4m /s㊁立管底部重物为0.8k g 时立管模型下放安装过程中的振动特性㊂图5为立管模型下放到100和300s 左右时1~6号应变测试点的应变特性㊂图5 下放到100s 和300s 左右时立管6个实验段的应变特性F i g .5 S t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f s i x e x pe r i m e n t a l s e c t i o n s of r i s e r w h e n l o w e r e d t o a b o u t 100s a n d 300s 76Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年在图5(a)列中每个应变测试点随时间都呈现出周期性的往复振动模式,且6个应变测试点在C F 方向上的应变幅值略大于I L 方向的应变幅值㊂立管的最大振动幅度出现在节点4附近,离节点4越远,振动幅度越小,符合立管的一阶振动特性㊂这是由于实验用以模拟L M R P 的重物有不可忽略的长度,导致立管的中心点更接近节点4导致㊂在图5(b)列中立管的1~5号应变测试点在C F 和I L 方向上的主频均为2.3H z,略高于立管的一阶固有频率,因此在下放到100s 左右时立管以一阶振动模态为主㊂每个应变测试点的主频都相同,频率响应在C F 和I L 方向上的分布几乎相同,原因可能是实验采用的立管长细比不够大,在恒定的低速水流下,导致悬挂立管的自由端的两个方向频率相同,这种现象同M a o 等[13,17]的研究结果相吻合㊂立管的第六应变测试点在I L 方向上出现了一个7.2H z的高频响应,这是因为当立管开始下放时,立管底端先浸入水面,底部悬挂物受到水流的冲击发生剧烈振动,因此在立管底部会出现以二阶频率为主的局部振动㊂从图5(c )列中可以看出当立管下放到300s 左右时,立管的最大振动幅度出现在节点2和节点5附近,立管的中心节点4的振幅最小,每个应变测试点都呈现出应变随时间周期性的往复振动模式,且6个应变测试点上C F 方向的应变幅值均明显大于I L 方向的应变幅值,立管整体表现出以二阶模态为主导的振动,C F方向各实验断面的应变幅值远大于I L 方向,I L 方向的振动明显受到C F 方向振动的干扰和控制㊂在图5(d)列中,在C F 和I L 方向上,立管的应变测试点(节点)1㊁2㊁3㊁4㊁5和6的主频均为6.1H z,与立管在水流中的二阶振动频率非常接近,因此立管在下放后期以二阶振动模态为主㊂除了节点4之外,每个应变测试点的主频都相同,且I L 方向上的振幅要弱于C F 方向,I L 方向上的振动明显受到C F 方向上振动的干扰和控制㊂立管的应变测试点4在C F 方向上的主频为2.3H z,在I L 方向上的主频为1.9H z,这是因为应变测试点4位于立管正中间,立管处于二阶振动时节点4的振动幅度最小,而一阶振动幅度最大,因此表现出局部一阶模态的振动特性㊂图6分析了立管模型的位移时空云图㊂图6(a) (b )分析了立管模型下放到100s 左右时在I L 和C F 方向上5个运动周期的弯曲应变分布㊂从图6中可以看出,立管在C F 和I L 方向上的应变都是非常规则并具有周期性的,表现出典型的行波特征,响应以第一种模式为主㊂另一方面,与C F 方向上的响应相比,I L 方向响应的规则性略差,且C F 方向的应变要略大于I L 方向应变㊂图6(c ) (d )展示了立管下放到300s 左右时的弯曲应变的分布,从图中可以看出,立管下放到300s 左右时应变响应变为典型的驻波特征,响应以第二种模式为主,且立管表现出来的规律与下放到100s 左右时一致,即在C F 方向上响应的规律性要好于I L 方向㊂图6 下放到100s 和300s 左右时立管位移时空云图F i g .6 T e m p o r a l a n d s p a t i a l n e p h o g r a m o f r i s e r d i s p l a c e m e n t w h e n l o w e r i n gt o a b o u t 100s a n d 300s 86Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3.2立管下放时间对立管位形的影响基于上述的位移重构方法分析立管沿长度方向上的振幅大小,每隔20s 绘制一次立管位形图(见图7)㊂从图中可以看出,当立管刚开始下放时,立管在两个方向上的振幅几乎相同,均表现出一阶模态㊂在下放过程的前160s 里,立管振幅变化很小,最大值约为0.02D ,最小值约为-0.02D ,立管底部位移约为0.003D ,立管的最大振幅总是出现在立管的中点㊂随着立管模型的继续下放,振幅急剧增大㊂当立管下放到240s 时开始在C F 方向上表现出明显的二阶模态,此时模型的振幅最大值为0.11D ,最小值为-0.11D ,最值点出现在x /L =0.3处,并且在I L 方向上的振幅明显小于C F 方向,立管底部位移约为0.01D ㊂当下放进行到340s 时,振幅增加的速度逐渐变缓㊂下放到400s 时立管振幅约为0.31D ,最小值为-0.30D ,底部位移约为0.033D ㊂由图7分析可得立管模型在下放到180~320s 时振幅的增长速度最为剧烈,刚下放和即将完成下放时振幅变化较为平缓㊂立管底部自由端的振幅约为最大振幅的十分之一㊂立管模型在I L 方向上的振幅曲线看起来不像C F 方向那样对称,这与两个方面有关:1.V I V 具有随机性;2.在立管下放过程中会受水流冲击从而在I L 方向上产生一个较大的位移,这就导致立管在I L 方向上的运动平面是一个倾斜平面,因此会出现振幅曲线不对称的现象㊂图7 立管下放过程中的位形变化F i g .7 C o n f i g u r a t i o n c h a n g e d u r i n g r i s e r l o w e r i n g3.3下放时间对立管振幅的影响图8分析了当流速为0.4m /s,立管底部重物为0.8k g 时,立管模型的振动幅值随下放时间的变化趋势㊂图8(a)为立管模型在安装下放过程中立管振动最96Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年大幅度,图8(b)为立管底部自由端的振动幅度㊂立管模型的最大振幅的下放时间在0~150s 时稳定在0.01D 左右,且在两方向上表现得非常接近㊂下放到150s 后,C F 方向上的振动幅度开始缓慢变大,在经历了50s 的过渡期后振幅增速加快,在400s 时达到0.3D ㊂I L 方向上的最大振幅则在250s 时出现增大趋势,并一直保持缓慢增加的速度直到下放结束,最大值约为0.09D ㊂立管底部的振动幅度在前150s 一直保持稳定,下放到150s 时开始缓慢增大,直到下放结束,且在C F 方向上的振幅一直大于I L 方向㊂图8 立管安装下放过程中的振幅分析F i g .8 A m p l i t u d e a n a l y s i s d u r i n g r i s e r i n s t a l l a t i o n a n d l o w e r i n g3.4L M R P 质量对立管频率的影响图9显示了在下放到100和300s 且立管底部L M R P 质量分别为0.5㊁0.8㊁1.1和1.4k g 时第四应变测试点(z /L =0.575)的频率响应㊂可以看到刚开始下放时(100s 以前),立管模型以一个相对稳定的幅度低频振荡㊂频率响应由稳定的主频和一部分高频响应组成,且底部重物的质量越大,高频振动的参与越明显㊂不同L M R P 质量对应的立管在C F 方向上的主响应频率依次为2.49㊁2.29㊁2.44和2.59,在I L 方向上的主响应频率依次为2.34㊁2.32㊁2.54和2.59㊂I L 方向上的振动频率略大于C F 方向,且立管底部悬挂的重物越大,振动频率越大,而振动幅度越小㊂当立管下放到300s 左右时,悬垂立管在C F 方向上的主频显著增大,但在I L 方向上的主频没有太大变化㊂不同工况下的立管在C F 方向的振动幅度总是远大于I L 方向,底部的重物质量越大,立管模型越偏向于高阶振动㊂不同质量的立管在C F 方向上的主响应频率依次为5.42㊁5.28㊁5.28和5.16,立管的响应频率随着L M R P 质量的增大而减小㊂图9 100s (a )和300s (b)时各个工况下第四测试截面的振动响应F i g .9 V i b r a t i o n r e s po n s e o f t h e f o u r t h s e c t i o n a t 100s (a )a n d 300s (b )07Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究3.5L M R P质量对立管振幅和位移的影响图10给出了考虑底部悬挂不同质量重物时立管模型的振动幅度,显示了悬挂立管的振动模型形状㊂当立管下放到100s 时,立管主要表现出一阶振动模态,此时立管的振动幅度随着底部悬挂重物质量的减小而增大,且I L 方向上的振幅要略小于C F 方向㊂最大振幅均出现在立管中部x /L =0.5处㊂当m =0.5k g时振动幅度最大,达到了0.02D ㊂当m =0.8k g 时,由于底部质量的增加,立管的振动幅度大幅度减小,随着悬挂重物质量逐渐增大,底部重物的质量已经大大超过了立管本身的质量(0.8k g),此时相当于立管模型由上端铰接下端自由转变成两端铰接,底部重物质量的增加(m =1.1k g 或m =1.4k g)对立管振动幅度的影响已经微乎其微㊂当立管下放到300s 时,立管在I L 方向上仍表现为一阶振动,底部重物对立管的影响与立管刚开始下放时一样,振动幅度随着底部悬挂重物质量的减小而增大,当m =0.5k g 时振动幅度最大,达到了0.06D ㊂在C F 方向上主要表现出二阶振动模态,当m =0.5k g时,最大振幅点在x /L =0.275处,随着底部质量的增大,立管最大振幅点会而出现下移现象㊂当m =0.8k g时立管的振动幅度最大,达到了0.2D ,此时L M B P 质量近似于立管质量,最大振幅出现在x /L =0.3处㊂当底部L M B P 质量大于立管自重时,立管的振动幅度大幅降低㊂当立管模型处在二阶振动模态时,底部质量的增大对自由端的振动幅度影响很小,4种工况下立管底部自由端的振动幅度均在0.02D 左右㊂图10 100s (a )和300s (b)时四组工况下立管模型的振动响应比较F i g .10 C o m p a r i s o n o f v i b r a t i o n r e s p o n s e s o f r i s e r m o d e l s u n d e r f o u r w o r k i n g co n d i t i o n s a t 100s (a )a n d 300s (b ) 图11(a)分析了在考虑了底部悬挂不同质量重物时立管模型的最大振幅㊂立管底部重物的质量大小对立管的最大振动幅度几乎没有影响,且C F 方向上的振幅一直大于I L 方向㊂立管模型的最大振幅的下放时间在0~150s 内表现出趋于稳定的极小值,且在两方向上表现得非常接近㊂下放到150s 后,C F 方向上的振动幅度开始增大,在经历了50s 的过渡期后振幅突然增大,在400s 时达到0.3D ㊂I L 方向上的振幅最大值则在280s 左右时开始出现增大趋势,并一直保持缓慢的速度增加,直到下放结束,最大值约为0.08D ㊂图11(b)分析了悬挂不同质量重物的立管模型在I L 方向上受水流拖曳力引起的位移,最大位移点始终位于立管模型底部㊂当重物m =0.5k g 时,立管底部的位移要远大于其他三种工况,当完成立管下放时,底部位移达到最大,约为5.0D ㊂当底部悬挂的重物达到0.8k g 时,位移出现与立管振动相似的规律,由于重物质量已经接近管体本身质量(m =0.8k g),底部重物质量的增加(m =1.1k g 或m =1.4k g)对立管振动幅度17Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年的影响已经微乎其微,故当完成立管下放时,底部重物质量为0.8㊁1.1和1.4k g 对应的底部位移分别为2.5D ㊁2.1D 和1.8D㊂图11 安装下放过程中四组工况下立管模型的最大振动幅度和最大位移F i g .11 M a x i m u m v i b r a t i o n a m p l i t u d e a n d m a x i m u m d i s p l a c e m e n t o f r i s e r m o d e l u n d e r f o u r w o r k i n gc o nd i t i o n s d u r i n g i n s t a l l a t i o n a n d l o we r i n g4 结论(1)采用有限元法分析了考虑轴向拉力和L M R P质量的立管的固有频率㊂数值模拟结果表明,随着L M R P 质量的增加,立管的固有频率逐渐减小,且质量越大,减小的幅度越小㊂(2)立管在C F 方向的涡旋脱落产生了很大的升力,I L 方向上的振动频率受C F 方向支配,但两个方向的频率相同㊂在立管安装下放过程中,C F 方向上的应变始终大于I L 方向上的应变,且当立管处于二阶模态时这种情况更为明显㊂(3)底部L M R P 质量的大小对自由端的最大振幅影响较小,其值约为立管最大振幅的十分之一㊂由于立管的结构特性,立管在I L 方向上的位移受拖曳力引起的大位移支配,自由端的大位移会随着立管的下放逐渐增大,还会随着L M R P 质量的增大而减小,但当L M R P 质量超过管重时位移变化趋于稳定㊂需要指出的是本文只分析了某一流速下悬挂立管下放安装过程的振动特性,同时由于实验测试条件的限制和测试模型支架的限制,也仅测试了某一特定长度立管的下放过程㊂后续还需要对不同环境参数条件下立管下放安装全过程的动力响应特性进行深入研究㊂参考文献:[1] 林秀娟,肖文生,王鸿雁.深水采油树下放过程钻柱力学分析[J ].中国石油大学学报(自然科学版),2011,35(5):125-129.L i n X J ,X i a o W X ,W a n g H Y .D r i l l s t r i n g m e c h a n i c a l a n a l ys i s o f r u n n i n g d e e p w a t e r o i l t r e e [J ].J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y of P e -t r o l e u m ,2011,35(5):125-129.[2] 龚铭煊,刘再生,段梦兰,等.深海水下采油树下放安装过程分析与研究[J ].石油机械,2013,41(4):50-54.G o n g M X ,L i u Z S ,D u a n M L ,e t a l .R e s e a r c h o n t h e r u n n i n gi n -s t a l l m e n t p r o c e s s o f d e e ps e a u n d e r w a t e r c h r i s t m a s t r e e [J ].C h i n a P e t r o l e u m M a c h i n e r y,2013,41(4):50-54.[3] H u Y ,C a o J ,Y a o B ,e t a l .D yn a m i c b e h a v i o r s o f a m a r i n e r i s e r w i t h v a r i a b l e l e n g t h d u r i n g th e i n s t a l l a t i o n o f a s u b s e a p r o d u c t i o n t r e e [J ].J o u r n a l o f M a r i n e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2018,23(2):378-388.[4] W a n g Y ,G a o D .O n t h e s t a t i c m e c h a n i c s o f t h e t u b u l a r s ys t e m d u r i n g i n s t a l l a t i o n o f t h e s u r f a c e c a s i n g i n d e e p w a t e r d r i l l i n g [J ].A p pl i e d O c e a n R e s e a r c h ,2021,110:102599.[5] W a n g Y ,G a o D ,F a n g J .S t u d y o n l a t e r a l v i b r a t i o n a n a l ys i s o f m a -r i n e r i s e r i n i n s t a l l a t i o n -v i a v a r i a t i o n a l a p p r o a c h [J ].J o u r n a l o f N a t u r a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2015,22:523-529.[6] W a n g Y ,G a o D ,F a n g J .M e c h a n i c a l b e h a v i o r a n a l ys i s f o r t h e d e -t e r m i n a t i o n o f r i s e r i n s t a l l a t i o n w i n d o w i n o f f s h o r e d r i l l i n g [J ].J o u r n a l o f N a t u r a l G a s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,2015,24:317-323.[7] W a n g Y ,T u o H ,L i L ,e t a l .D yn a m i c s i m u l a t i o n o f i n s t a l l a t i o n o f t h e s u b s e a c l u s t e r m a n i f o l d b y d r i l l i n g p i p e i n d e e p wa t e rb a s e d o n O rc a F l e x [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a nd E n g i ne e r i n g,2018,163:67-78.[8] L i u J ,W a n g P,G u o X ,e t a l .N o n l i n e a r v i b r a t i o n m o d e l a n d r e -s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c o f d r i l l i n g r i s e r s i n d e e p-s e a u n d e r s o f t s u s -p e n s i o n e v a c u a t i o n c o n d i t i o n [J ].M e c h a n i c a l S y s t e m s a n d S i g n a l P r o c e s s i n g,2022,169:108783.[9] T i a n D ,F a n H ,L e i r a B J ,e t a l .S t u d y on t h e s t a t i c b e h a v i o r o f i n s t a l l i n g a d e e p -w a t e r d r i l l i n g r i s e r o n a p r o d u c t i o n p l a t f o r m [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2020,185:106652.[10] L i u J ,M a X ,Z h a n g X ,e t a l .A x i a l v i b r a t i o n o f d e e p-w a t e r d r i l l -i n g r i s e r s u n d e r l i f t i n g c o n d i t i o n s [J ].J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i -e n c e a n d E n g i n e e r i n g,2022,209:109903.[11] G a o Y ,T a n D S ,Z h a n g B ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y on o r b i t a l r e s p o n s e a n d f l o w b e h a v i o r b e h i n d a f r e e l y s u s p e n d e d c y l i n d e r [J ].O c e a n E n g i n e e r i n g,2015,108:439-448.[12] W a n g J ,X i a n g S ,F u S ,e t a l .E x p e r i m e n t a l i n v e s t i ga t i o n o n t h e 27Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10期李效民,等:钻井立管下放安装过程中涡激振动响应实验研究d y n a m i c re s p o n s e s of a f r e e-h a ng i n g w a t e r i n t a k e r i s e r u n d e r v e s-s e l m o t i o n[J].M a r i n e S t r u c t u r e s,2016,50:1-19.[13] M a o L,Z e n g S,L i u Q.E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n v o r t e x-i n-d u ce d v i b r a t i o n s of a h a n g-o f f e v a c u a t e d d r i l l i ng r i s e r[J].N o n l i n-e a r D y n a m i c s,2020,102(3):1499-1516.[14]J u n g D,P a r k H,K o t e r a y a m a W,e t a l.V i b r a t i o n o f h i g h l y f l e x i-b l e f r e e h a n g i n g p i p e i nc a l m w a t e r[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2005,32(14):1726-1739.[15]F r a n z i n i G R,F u j a r r a A L C,M e n e g h i n i J R,e t a l.E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o f V o r t e x-I n d u c e d V i b r a t i o n o n r i g i d,s m o o t h a n di n c l i n e d c y l i n d e r s[J].J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s,2009,25(4):742-750.[16]L i F,G u o H,L i X,e t a l.E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n f l o w-i n d u c e d v i b r a t i o n c o n t r o l o f f l e x i b l e r i s e r s f i t t e d w i t h n e w c o n f i g u-r a t i o n o f s p l i t t e r p l a t e s[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2022,266: 112597.[17] H u e r a-H u a r t e F J,B e a r m a n P W.W a k e s t r u c t u r e s a n d v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n s o f a l o n g f l e x i b l e c y l i n d e r P a r t1:D y n a m i cr e s p o n s e[J].J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s,2009,25(6):969-990.E x p e r i m e n t a l S t u d y o n V o r t e x I n d u c e d V i b r a t i o n R e s p o n s e o fD r i l l i n g R i s e r D u r i n g L o w e r i n g a n d I n s t a l l a t i o nL i X i a o m i n,L i u R u n b o,G u H o n g l u,L i F u h e n g,G u o H a i y a n(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g,O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s t u d y t h e r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o f v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n(V I V)d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n o f d r i l l i n g r i s e r u n d e r s e a c u r r e n t,s e v e r a l d r i l l i n g m o d e l r i s e r s w e r e m a d e b a s e d o n t h e f i b e rB r a g g g r a t i n g s t r a i n s e n s o r t e c h n o l o g y a n d c o n s i d e r i n g t h e l o w e r m a r i n e r i s e r p a c k a g e(L M R P),a n d t h e d y n a m i c r e s p o n s e u n d e r f r e e s u s p e n s i o n d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n p r o c e s s w a s s t u d i e d b y f l u m e e x p e r i-m e n t.A l o w e r i n g d e v i c e w i t h a m o v i n g s l i d e r a i l w a s m a d e i n t h e e x p e r i m e n t.T h e d y n a m i c s t r a i n r e-s p o n s e o f m o d e l r i s e r u n d e r u n i f o r m f l o w o f0.4m/s i s o b t a i n e d.T h e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o n m o d e f u n c t i o n o f t h e r i s e r m o d e l w e r e o b t a i n e d b a s e d o n t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d,a n d t h e d i s p l a c e-m e n t r e s p o n s e o f t h e r i s e r m o d e l w a s r e c o n s t r u c t e d u s i n g t h e m o d e s u p e r p o s i t i o n m e t h o d.T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r a i n o f t h e r i s e r i n t h e c r o s s-l i n e(C F)i s g r e a t e r t h a n t h a t i n t h e i n-l i n e(I L),b u t t h e f r e q u e n c y o f t h e t w o d i r e c t i o n s i s t h e s a m e;T h e d o w n s t r e a m d i s p l a c e m e n t o f t h e f r e e e n d d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e L M R P m a s s,b u t t h e d i s p l a c e m e n t c h a n g e s t e n d t o b e s t a b l e w h e n t h e m a s s e x-c e e d s t h e p i p e w e i g h t;T h e m a x i m u m a m p l i t u d e a t t h e f r e e e n d i s i n d e p e n d e n t o f t h e L M R P m a s s a t t h e b o t t o m,w h i c h i s a b o u t o n e t e n t h o f t h e m a x i m u m a m p l i t u d e o f t h e r i s e r.K e y w o r d s:d r i l l i n g r i s e r;l o w e r i n g a n d i n s t a l l a t i o n;t h e l o w e r m a r i n e r i s e r p a c k a g e(L M R P);m o d a l s u p e r p o s i t i o n m e t h o d;v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n(V I V)责任编辑高蓓37Copyright©博看网. 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开放课题申请简介
申请人：禹海涛（同济大学）
课题名称：外海长隧道多尺度动力分析方法及地震灾变机理研究
（2）长隧道结构动力损伤本构模型
（3）外海长隧道结构地震响应、损伤机理的理论分析与数值模拟
开放课题申请简介
编号 1306 研究内容包括：
（1） 首先进行双体船型的耐波性研究，优化船型参数。并以波浪为系统的主要激励， 研究吊装中的风机和安装船整个系统的水动力响应，以及风机和安装船之间的相互耦合 作用，分析风机和安装船之间的动力学模型，研究在波浪补偿机构驱动和波浪条件共同 作用下，风机能维持稳定的控制条件和控制机理。 （2） 在研究（1）的基础上，对波浪运动补偿系统的智能控制策略展开研究。考虑到风 机质量大，属于大惯量系统，系统响应速度慢，所以常规控制器容易产生滞后现象，控 制效果不太理想；并且风机和安装船间并非通过刚性构件连接，而是通过钢索连接，钢 索具有一定弹性，所以钢索对风机的控制作用具有一定的相位偏差，容易产生振荡现象 ，造成最后的补偿效果不佳。因此必须结合整个系统的水动力响应及风机和船舶之间的 相互耦合作用原理，展开智能控制算法研究。 （3） 建立风机软着陆过程的动力学模型，对冲击过程展开应力分析，以冲击载荷最小 为优化目标进行缓冲机构参数设计。分析缓冲机构开始动作的两个载荷阀值——设计低 值和设计高值对缓冲系统响应速度的影响，并优化其取值来提高系统的跟随速度。并通 过仿真与模型试验，验证缓冲定位系统的有效性。
申请人：陆林军（上海交通大学）
课题名称：国际航运温室气体减排分析及可持续发展对策研究
（1）通过四个方面量化了国际航运温室气体排放潜力并通过函数拟合对它们进行拟合， 有助于在实践中得应用，例如.船舶减速航行实现减排的方法具有较好的成本效益比，对 于企业，当从最佳盈利航速以上开始减速航行时，不但可以完成减排目标，同时还会使 企业效益更佳。当从最佳盈利航速开始减速航行以实现减排目标时，其成本适中。
深水立管的若干结构力学研究进展
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２ ・
陈 云 水 等 深水 立 管 的若 干 结 构 力 学 研 究进 展
２０ ０７年 １ Ｏ月
域 的接触 力 、 应力 和应 变等一些 结构 响应 。并通过 试验 验证 了这 个三 维 的有 限元 模 型计算 的结果 与试 验结 果 相吻合 。而在试 验和 有限元模 型 中 ， 他们 不仅考 虑 了不 同 的立 管碰 撞的相对 速度 ， 还考虑 了立 管碰撞 时的
ｌ 立 管 的碰 撞 研 究
立 管之 间相互 作用研 究从 上世 纪 ８ ０年代 后 期 开始 。Ｒ ｊｂ（ ９ ９ 第 一 次指 出立 管之 间 或立 管 和锚 索 ａａ ｉ１ ８ ） 之 间潜 在 的相互碰撞 ， 而主要 的关 注还是 放在 了波 浪激励 碰 撞 和立 管或 锚 索 的单 个 个 体 的不 匹配 移 动 阶 然
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第２卷 ２
第 ５期
中 国
海
洋
平
台
文章 编 号 ：０ １ ４ ０ （ ０ ７ ０ —０ ０ —０ １０ — ５ ０ ２０ ）５ ０ １ ５
深水 立 管 的若干 结 构 力学 研究 进 展
陈云 水 ， 德 禹 王
（ 上海 交通 大学 ，０ ０ ０上 海） ２０ ３
摘 要 ： 对 海 洋深 水 立 管 的 碰 撞 、 劳 、 裂 失 效 和 安 全 可 靠性 问 题 ， 述 了近 ５年 来 国 针 疲 断 评
内的 研 究成 果 ， 出 了一 些 用 于 深 水 立 管碰 撞 和 安 全 可 靠 性 评 估 的 实 用 理 论 和 计 算 方 法 ， 别 给 特
起着 至关 重要 的作用 。
Ｌ ｕ ｕ Ｅ 等人 提 出了一种 算法 ， ｉ Ｙｏ ｓ ｎ。 这种算 法建 立在 时间 域上 解决 立 管 多处 碰 撞 问题 ， 法 中强调 接 触 算
海洋立管的涡激振动模型预测方法
海洋立管的涡激振动模型预测方法海洋立管的涡激振动是指在海水流动下，立管表面附近形成的涡流引起立管产生振动的过程。
这种振动会对海洋工程设施的稳定性和寿命产生重要的影响。
为了预测和评估海洋立管的涡激振动，可以使用多种数值模拟方法，其中包括CFD方法、子结构方法和模型试验方法等。
1.CFD方法：计算流体力学（CFD）方法是一种基于数值求解流体力学方程的计算方法。
对于涡激振动问题，可以使用CFD方法模拟流体流动并预测立管的振动响应。
CFD方法的优点在于可以考虑复杂的流动场和立管的几何形状，可以提供详细的流场信息和振动特性。
然而，CFD方法需要大量的计算资源和较长的计算时间，并且对参数的设定和模型的准确性有一定要求。
2.子结构方法：子结构方法是将立管分解为多个小的部分，然后对每个部分进行振动分析的方法。
该方法可以减小计算的复杂性，并将问题简化为多个子问题的求解。
子结构方法可以在不同的涡流条件下对立管的振动特性进行预测，并可以考虑不同部位的结构响应差异。
然而，子结构方法忽略了整体流场和结构之间的相互作用，可能会导致结果的不准确。
3.模型试验方法：模型试验是通过建立立管的物理模型，进行涡激振动实验，并测量振动响应和流场信息。
模型试验方法可以提供直观的实验结果，并可以考虑实际中不可预测的因素。
模型试验方法的缺点是成本高昂，需要大量的实验设备和时间。
此外，模型试验结果的适用性可能受到尺寸效应和相关性的限制。
综上所述，预测海洋立管的涡激振动模型可以使用CFD方法、子结构方法和模型试验方法等。
这些方法各有优劣，研究人员可以根据具体的需求和限制选择合适的方法或将它们结合起来使用，以便更好地预测和评估海洋立管的振动特性。
海洋技术研究 深水多波束测深系统现状及展望
海洋论坛▏深水多波束测深系统现状及展望海洋科学研究、资源调查与开发、工程建设及军事等活动都需要准确地获取所关注区域内的海底地形地貌信息，并将其作为基础资料与支撑依据。
因此，如何去了解海洋地形地貌信息，对海洋地形地貌信息进行有效的测绘，获取海洋地形地貌信息图谱，成了海洋研究中的重要问题。
不同于传统单波束测深技术，多波束测深系统是一种进行海洋水底资源开发的新手段。
它不但可以获得采样点的位置和深度信息，而且能够根据不同物质对声波的回波强度，探测海底地质结构，实现海底底质分类。
此外，多波束测深系统对海底实施的是一种全覆盖测量，所提取的信息不但反映了海底的地形地貌变化情况，还能给出水体特征。
因此，深水多波束测深系统在深海海底地形测绘、海洋资源探测、天然气水合物探测、地球物理探测等领域具有极高的应用价值。
本文首先介绍了深水多波束测深的基本原理和系统组成，然后系统介绍了L3 ELAC Nautik、Teledyne(原ATLAS)和Kongsberg等公司的3款典型深水多波束测深系统，并分析了国内发展情况，最后展望了深水多波束测深系统的发展趋势。
一、多波束测深系统原理和组成⒈基本原理多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。
多波束测深系统的波束形成原理可以分为两种：束控法(在特定角度下，测量反射信号的往返时间)和相干法(在特定时间下，测量反射回波信号的角度)。
在多波束测深系统中主要有两个待测变量，即斜距或声学换能器到海底每个点的距离和从换能器到水底各点的角度。
所有的多波束测深系统利用束控法和相干法中的一种或两种来测定这些变量。
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究一、本文概述本文旨在深入探讨深海作业型ROV（遥控无人潜水器）的水动力试验及其运动控制技术的相关研究。
随着海洋资源的日益重要和深海探索的逐步深入，ROV作为深海作业的重要工具，其性能的优化和运动控制的精确性对深海探测、海底资源开发和海洋环境保护等领域具有重大意义。
本文将首先概述ROV的基本原理和分类，重点介绍深海作业型ROV的特点和应用领域。
随后，本文将详细分析ROV水动力试验的重要性，探讨如何通过水动力试验来优化ROV的设计，提高其性能。
在此基础上，本文将深入研究ROV的运动控制技术，包括路径规划、姿态控制、避障等关键技术，并探讨如何提高ROV在复杂海洋环境下的自主作业能力。
本文还将总结现有的ROV水动力试验和运动控制技术的研究进展，分析当前存在的问题和挑战，并在此基础上提出新的研究思路和方法。
通过本文的研究，旨在为深海作业型ROV的设计和优化提供理论支持和实践指导，推动ROV技术在深海作业领域的广泛应用和发展。
二、水动力试验技术水动力试验技术是评估深海作业型ROV性能的关键环节，涉及到ROV在各种海洋环境下的稳定性和操控性。
ROV的水动力特性，包括其阻力、升力、侧力和力矩等，直接决定了其在深海作业中的表现。
通过水动力试验，我们可以深入了解ROV的动态行为，优化其设计，提高其在复杂海洋环境中的作业效率。
水动力试验主要包括模型试验和实船试验。
模型试验是在特定的水池或水槽中进行的，可以模拟不同海洋环境，如流速、流向、波浪等，对ROV模型进行动态测试。
这种方法具有成本低、周期短、可重复性强等优点，是ROV水动力性能研究的重要手段。
由于模型试验的缩尺效应和相似性准则的限制，其结果往往不能完全反映实船在实际海洋环境中的性能。
实船试验则是在真实的海洋环境中进行的，可以直接获取ROV在实际工作状态下的水动力性能数据。
虽然实船试验的成本高、周期长，且受到海洋环境的不确定性和安全性的限制，但其结果具有更高的可靠性和实用性。
深水立管涡激振动抑制装置的研制
果表明： ①对 于相 同的螺 高 和螺 距 ， 头 和 ４螺 头 ３螺
的螺旋 列板 其抑 制 效率 基 本 没 有 太 大 变 化 ， 虑 到 考 ４螺 头 较 ３螺 头 列板 的 曳力 系数 更 高 ， 给 立 管 带 会 来 强度损 坏 ， 一般 会 选 用 ３螺 头 的列 板 。② 固定 螺
第２ ４卷
第 ３期
矫 滨 田等 ： 水 立 管 涡 激 振 动 抑 制 装 置 的研 制 深
７ １
功应用 于 Ｓ ｒ ｎ 、 ｒｇ ｎ ｅｒ ｏ Ｏ ｅａ ｏ和 Ｂ ｕｕ ａ ｒ ｔｓ等多 个 平 台Ｅ ； ４ ］ 流线 型导流板 是 Ｓ ｅ ｌｂ ｌ ｏｕｉ ｓ的专 利 产 品 ， ｈｌ Ｇ ｏ ａ Ｓ ｌｔ ｎ ｌ ｏ 这种装 置可通过 自由摆动来适 应周 围 的流动 ， 善管 改 子附近 的水 流状态 ， 而有效地 弱化 导致振 动 引发 的 从
表 １ 螺 头 数 为 ３时螺 旋 列 板 主 要 结 构 参 数 设 计
螺距 （ ／ Ｐ Ｄ） 螺 高 （ Ｄ） Ｈ／
Ｏ １ ． ０ Ｏ １ ． ５ ０ ２ ． Ｏ １ ． ７ ５ ０ １ ． ５
螺旋 列板 与导 流板 ２种装 置对 各种 方 向水流 引
起 的涡激 振动 均 能进 行 有 效 地 抑 制 ， 应 振 幅 可 降 响
图 ３ 螺 旋 列 板 截 面 形 状 设 计
形状 为梯 形 ， 列板 顶 部 宽度 Ｔ 设 定 为 ０ ０ 列 板 ． ４ Ｄ，
根部 宽度 Ｔ １设定 为 ０ １ ． ３Ｄ。
圆壳 厚 ： 壳 厚 度 Ｔｓ的设 计 主 要 是 考 虑 满 圆
足螺 旋列 板整 体强 度要 求 ， 定 为 ０ ０ ５Ｄ。 选 ． ３
海洋立管的涡激振动模型预测方法
海洋立管的涡激振动模型预测方法海洋立管是指将管道固定在海洋底部，将一端延伸至水面上，用于将海底的油气输送至陆地。
在海洋环境中，海洋立管会面临涡激振动的问题。
涡激振动是指当液体通过一个障碍物或管道时，会引发涡旋的形成，这些涡旋会对管道产生振动，对海洋立管的安全运营造成威胁。
为了预测海洋立管的涡激振动模型，需要分析流体动力学、结构动力学和海洋环境等多个因素。
下面将介绍一种基于计算流体动力学（CFD）模拟和实验验证的预测方法，该方法已被广泛应用于海洋结构的振动和力学分析中。
首先，通过CFD模拟，将海洋立管的周围流场进行建模和求解。
CFD模拟基于Navier-Stokes方程组，采用有限体积或有限元方法进行数值离散，可以求解流场中的速度、压力等物理量。
模拟过程中需要考虑海水的黏性、密度、温度等参数，并使用湍流模型来模拟湍流效应。
可以通过改变流场中的流速、复杂地形和海洋环境等参数，对涡激振动进行数值模拟。
在进行CFD模拟后，需要对模拟结果进行验证。
通过在实验室中进行小尺寸模型试验，可以测量模型在不同流速下的涡激振动情况。
实验中通常使用压力传感器、位移传感器和加速度计等仪器来监测振动数据。
同时，还可以利用高速摄影技术来观察涡旋的形成和演化过程。
实验数据可以用于验证CFD模拟结果的准确性和可靠性。
根据CFD模拟和实验验证的结果，可以建立海洋立管的涡激振动模型。
通过统计分析涡激振动的特征参数，如振动幅值、频率谱等，可以得到海洋立管在不同流速下的振动特性。
然后，可以利用建立的模型对其他海洋立管进行涡激振动的预测。
此外，为了进一步提高预测的准确性，还可以考虑其他影响因素。
例如，可以将海洋立管的柔度、弹性特性和支撑方式纳入模型中，探究它们对涡激振动的影响。
还可以结合海洋环境条件的变化，如波浪、水流激励等，对涡激振动模型进行修正。
总之，海洋立管的涡激振动模型预测方法基于CFD模拟和实验验证，通过对流场流速和结构振动的分析，可以预测海洋立管在不同流速情况下的涡激振动特性。
海底管道液体运输中的管道振动和疲劳分析
海底管道液体运输中的管道振动和疲劳分析海底管道承担着将石油、天然气等重要能源从海上开采场地输送到陆地的重要任务。
然而，在运输过程中，海底管道往往会遭受到来自海洋环境的振动力和外界荷载的作用，这些因素导致了管道的疲劳问题。
为了确保海底管道的安全可靠运行，进行管道振动和疲劳分析变得至关重要。
管道振动是指管道受到外界激励时的振动现象。
海洋环境中存在着波浪、涡流、海底地震等导致管道振动的因素。
这些振动力会对管道产生应力集中和疲劳破坏的风险。
因此，准确地分析管道受到的振动力对于确定管道的运输能力和寿命具有重要意义。
管道疲劳是指由于外界荷载作用，管道内部产生的应力循环导致管道材料发生破裂的现象。
疲劳问题是海底管道运输过程中最严重的问题之一。
长期以来，疲劳问题导致了很多管道事故和能源泄漏事故的发生，造成了巨大的经济损失和环境污染。
因此，对管道的疲劳行为进行分析和评估，以设计出更安全可靠的管道系统，具有重要的现实意义。
在进行管道振动和疲劳分析时，需要考虑多种因素。
首先，需要对管道受到的外界激励进行准确的建模和分析。
这包括波浪、涡流、震动等因素的考虑。
其次，需要对管道的结构特性进行准确的描述，包括材料性质、几何形状、支撑方式等。
此外，还需要考虑管道的运行环境，如水深、海底地质条件等因素。
对于管道振动的分析，可以采用数值模拟方法。
通过有限元分析等技术，可以模拟和预测管道受到的振动力，并对其产生的应力和位移进行计算。
此外，还可以采用试验方法，通过在实验室中进行管道模型的振动试验，获取实际振动数据，并对其进行分析和评估。
对于管道疲劳的分析，可以采用应力循环法。
通过对管道受到的应力循环进行计数和评估，可以确定疲劳寿命和疲劳破坏的风险。
同时，还可以采用裂纹扩展法，通过模拟裂纹的扩展和破裂行为，对管道进行疲劳寿命估计和可靠性评估。
除了对管道振动和疲劳进行分析外，还可以采取一系列的措施来减小振动和延长疲劳寿命。
比如，在设计阶段就考虑减震措施、选择合适的材料、优化管道结构等。
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。
海底管道振动特性分析与优化设计
海底管道振动特性分析与优化设计摘要海底管道是一种非常重要的海洋石油运输工具，管道系统由内流场、管道、外流场及管道附件组成，管道结构容易受到原油脉动、海洋洋流、激荡振动等各种外界激励的影响而产生振动，严重时管道会破裂导致石油泄漏。
因此，分析海底输油管道的振动特性，并根据管道振动特性进行减振控制与优化设计，对于海上石油工业安全性、经济性有重要意义。
当前，国内外学者对管道流固耦合振动问题进行了广泛的研究，主要运用单向耦合和双向耦合的方法，这种求解方法较为复杂且不易收敛，附加质量法也仅考虑了管道的附加质量，而声固耦合法充分考虑流体的附加质量、附加阻尼和流固耦合项。
基于此，在总结和吸收前人的基础上，本文基于声固耦合算法重点研究内外两个流场对管道振动特性的影响，主要进行了以下三个方面的研究工作。
首先，对海底管道振动理论和数值计算方法进行分析介绍，着重分析推导了声固耦合算法，搭建测试平台对自由空管、充液管道和水下充液管道进行模态实验，通过ANSYS声学模块建立充液管道和水下充液管道的有限元模型。
基于声固耦合算法求解得到充液管道固有频率与实验测试结果相差值在1.78%之内，基于声固耦合算法计算出的水下充液管道固有频率与实验测试结果相差值在3.01%之内，验证了基于声固耦合算法对充液管道和水下充液管道（内外双流场）进行耦合振动特性分析是可行的。
其次，基于声固耦合算法对实际海底输油管道进行有限元建模，分别研究海水对管道的影响，原油对管道的影响，海水和原油共同对管道的影响，从对比结果中得出两个结论：一是海水和原油对管道的固有频率起衰减作用，且相比仅考虑海水和仅考虑原油，海水和原油两个流体介质共同作用下，管道固有频率衰减的更明显；二是海水和原油会降低管道的模态振型幅值，同样相比仅考虑海水和仅考虑原油，海水和原油两个流体介质共同作用下，管道固模态振型幅值降低的更明显。
最后，研究了管道支撑结构和管道支撑刚度对管道振动特性的影响，发现支撑结构会降低管道的固有频率，增加管道支撑刚度可以提高管道的稳定性。
深水开发的新型立管系统_钢悬链线立管_SCR_
深水开发的新型立管系统———钢悬链线立管(SCR )Ξ黄维平,李华军(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所,山东青岛266071)摘 要: 1种全新的深水立管系统———钢悬链线立管(Steel Catenary Riser ,SCR )在墨西哥湾(G olf of Mexico )、坎普斯湾(Campos Basin )、北海(North Sea )和西非(West Africa )得到了成功应用。
它的适用水深为300～3000m ,且适用现有任何浮式结构,从浅水的固定式平台到极深水的浮式生产储运系统(FPSO )。
因此,它取代了传统的柔性立管和顶张力立管,成为深水油气开发的首选立管,被认为是深水立管系统的成本有效的解决方案。
关键词: 钢悬链线立管;深水立管;海底管线;深水开发中图法分类号: TE851 文献标识码: A 文章编号: 167225174(2006)052775207 近年来,深水开发中的油气勘探和开发活动大大增加,与前几年相比水深增加了1倍。
海洋工业正在更深的海域中建造生产系统,更多地采用新技术并较大程度地发展现有技术。
这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势,如墨西哥湾、坎普斯湾、北海和西非。
随着水深的不断增加,深水开发的技术装备也不断面临新的挑战,海洋平台和立管系统在这一次次的挑战中得到了发展,从张力腿平台、单柱平台(S par )、半潜式平台发展到今天的浮式生产系统和浮式生产储运系统(FPSO )(见图1)。
由于这些平台在海洋环境(风、浪、流)的作用下具有不同的运动特征,因此,对连接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求。
如浮式结构的二阶慢漂运动在极端海况时,其最大漂移量可达水深的6%～10%(张力腿平台和单柱平台),20%～30%(浮式生产系统或浮式生产储运系统)。
顶张力立管已经没有能力顺应这样大的浮体漂移。
而且,随着水深的增加,顶张力的补偿也变得越来越困难,更难以容纳浮体的升沉运动。
深水细长柔性立管涡激振动响应形式判定参数研究
认为涡激升力 和结构运动均 为正弦振荡 形式 ， 虑到 考
计算方便 ， 本文 的流体动力部分 用系数法给 出 ， 即
流 体方 向
结合 函数拟合的方式给 出了判定立管涡激振 动响应形 式 的无量纲参数 ， 该参数与系统 的阻尼 （ 包括 流体阻尼
和结构阻 尼） 锁频 模态 的阶数 以及结 构 长径 比等 相 、 关； 最后 通过实例 数值计算 给 出了该 参数 的具 体表达 式 和临界值 ， 并对该参数的物理意义进行了讨论 。
！巷
第 ３期
中 国海 上 油 气
ＣＨ Ｉ Ａ Ｎ ＯＦＦＳＨ （ＲＥ ｌ Ｎ Ｄ ） Ｏｉ Ａ ＧＡ Ｓ
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ３ １２ ．
２ １ ０ ０年 ６月
Ｊ ｎ ２ １） ｕ．０（
深 水 细 长 柔 性 立 管涡 激 振 动 响应 形 式 判定 参数 研 究 ＊
张 立 武 陈伟 民
带 随机 振动 以及 涡致行 波 （ 称 Ｖ１ ） ， 而 给深 又 ｗ 等 从 海 细长 柔性 立管 涡激振 动研 究 带来 了新 的 挑 战 。近 年 来 的研究 结果 表 明 ， 当立 管 的 长径 比超 过 １ 量 ０
级 时 ， 激 振 动 经 常 呈 现 出 行 波 效 应 ， ＶＩ 。 涡 即 Ｗ
１ 计 算 模 型 与振 动 响应 的描 述
计算 模 型如 图 １所示 ， 涡激 振 动 时立 管 的基 本
平 衡 方 程 为
ｍ ＋ ｙ 一 Ｔ ＋
何 结构 更为 复杂 ， 时 深水 细 长 柔 性立 管 涡 激 振 动 这
会 表现 出一 些特有 的 复杂现 象 ， 如多模 态振 动 、 例 宽
境 ，’ ｎ 』 验 审 （ 编 ：Ｏ １０ 。Ｅ ｍａｌｚａ ｇｉ ０ ＠ １ ６ ｃｍ。 邮 １０ ） ｉ ｈ ｎ ｌ ９ ： ｗｕ ４ ．ｏ ２
海洋立管涡激振动的基本理论、研究方法、影响因素及抑振方式的研究综述
第38卷第2期2024年3月山东理工大学学报(自然科学版)Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition)Vol.38No.2Mar.2024收稿日期:20230210基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2020ME269);山东省海洋工程重点实验室开放基金项目(KLOE202005);山东省重点研发计划项目(2019GHY112076)第一作者:王春光,男,cgwang@;通信作者:郑润,男,408463461@文章编号:1672-6197(2024)02-0001-07海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述王春光1,2,郑润1,李明蕾1,何文涛2,3(1.山东理工大学建筑工程与空间信息学院山东淄博255049;2.山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100;3.中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘要:海洋立管是海洋油气开发平台的重要组成部分,而涡激振动研究是保障其正常工作的重要研究领域㊂本文从海洋立管涡激振动的基本理论㊁海洋立管涡激振动研究方法的发展㊁影响涡激振动的相关因素㊁涡激振动的监测和抑制方法四个方面对海洋立管涡激振动的相关研究进行综述㊂由前人工作可知,海洋立管涡激振动研究经历了试验研究㊁理论模型分析㊁计算流体力学方法的应用等多个阶段,而顶张力㊁洋流㊁波浪㊁支承条件㊁长细比㊁材料以及内流等均显著影响其涡激振动特征㊂为保障海洋立管在涡激振动情况下的正常工作,其抑振研究经历了由被动抑振到主动抑振,再到利用先进监测及预测手段采取特定抑振方式及时介入的发展过程㊂在将来,海洋立管监测控制系统必将发展为一个利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术,实现海洋立管工作状态监测㊁故障发现以及主动控制的集中化㊁智能化系统㊂关键词:海洋立管;涡激振动;影响因素;涡激振动抑制中图分类号:P756.2文献标志码:AThe basic theory ,research methods ,affecting factors and suppression approaches of the vortex-induced vibration of marine risers :A reivewWANG Chunguang 1,2,ZHENG Run 1,LI Minglei 1,HE Wentao 2,3(1.School of Architectural Engineering and Spatial Information,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering,Qingdao 266100,China;3.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)Abstract :Marine riser is an important part of offshore oil and gas exploitation platform,and the research of vortex-induced vibration is an important research field to ensure its working situation.This paper re-views the related research of marine riser vortex-induced vibration in four aspects:the basic theory of ma-rine riser vortex-induced vibration,the history of research methods for marine riser vortex-induced vibra-tion,the relevant factors affecting vortex-induced vibration,and the monitoring and suppression methods of vortex-induced vibration.The researches on vortex-induced vibration of offshore risers have gone through stages such as experimental research,theoretical model analysis,application of computationalfluid dynamics methods.The top tension,ocean current,wave,support conditions,slenderness ratio,material and internal flow significantly affect its vortex-induced vibration characteristics.In order to㊀ensure the normal work of the riser under the condition of vortex-induced vibration,its vibration suppres-sion researches have developed from passive vibration suppression to active vibration suppression,and then to the use of advanced monitoring and prediction methods to take specialized vibration suppression methods on time.In the future,the marine riser monitoring and control system is foreseen to evolve into a centralized and intelligent system that uses information acquisition and processing system and combines active control technology to realize the monitoring of the working status,fault detection and active control for the marine risers.Keywords :marine riser;vortex induced vibration;influence factor;vortex-induced vibration suppression ㊀㊀自2021年以来,国际原油价格出现大幅上涨[1]㊂新冠疫情作为笼罩在全球经济发展上面的乌云开始散去,但经济复苏基础依然薄弱㊂被称为 工业血液 的石油是发展工业的重要动力,也是发展经济的重要资源㊂目前,陆地上的石油资源短缺的问题日益严重,据估算,地球上未被开采的海上石油储量的90%是在超过1000m 水深的海底地层下[2],而中国海岸线绵延辽阔,深海面积十分广阔,海上油气资源丰富,通过加快海洋油㊁气开发,中国必将逐步摆脱油气资源对外依赖㊂中国海洋石油勘探开发从沿海一隅到沿海集群作业,油气开发作业水深从100m 到如今的超3000m,海洋装备从最初的1艘钻井船发展到现在的61座钻井平台,实现了每年的海上原油产量从95000t 到48640000t 的跨越㊂特别是十八大以来,深水钻井平台 海洋石油982 ㊁海上移动式试采平台 海洋石油162 (图1)相继试验成功㊂中国的海洋油气勘探与开发进入了一个快速发展期,我们也提出了 走向深蓝 的战略口号,促进了海洋资源开发相关领域的研究㊂图1㊀ 海洋石油162 号无论采用何种海洋资源开采平台,海洋立管均是不可或缺的结构物,而80%的深水油气事故与立管的疲劳损伤相关㊂立管的疲劳损伤主要是由外部环境与立管相互作用而产生的涡激振动所引起[3-4],因此在海洋工程领域,开展了大量的复杂海况下海洋立管涡激振动影响因素及抑振方式的研究㊂1㊀海洋立管涡激振动的基本理论海洋立管作为海洋油气开发从海底将油气输送到海面平台的重要通道,是海洋油气开发的重要组成构件㊂海洋立管在洋流作用下,在立管两侧尾流区发生交替泄涡,漩涡的生成和泄放相关联,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㊂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,这便是海洋立管的涡激振动现象(VIV)㊂涡激振动将导致立管疲劳破坏,不仅影响工程进展,而且可能产生严重的环境灾害,因此受到各国学者的广泛重视㊂海洋立管的涡激振动源于Von Kármán 发现的涡街效应[5],其受力原理和数值模拟如图2及图3所示㊂图2㊀立管在涡街作用下受力示意图图3㊀数值模拟卡门涡街[6]2山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀对圆柱体绕流,交替脱落的单个漩涡的脱落频率f与绕流流体的速度v成正比,与立管直径d成反比,即得公式(1)[7]:f=Sr(v/d),(1)式中Sr是斯特劳哈尔数㊂斯特劳哈尔数主要与雷诺数有关㊂雷诺数的物理意义是惯性力与黏性力的比值㊂Re=ρVLˑVLμˑVL =ρL3㊃(V2/L)μ(V/L)㊃L2=ma(惯性力)τA(粘性力),(2)通过公式(2)的变形就可以直观的得出雷诺数Re 的物理意义,雷诺数越小液体粘滞力影响大于惯性的影响,雷诺数越大液体惯性影响大于黏滞力的影响㊂当雷诺数数值达到300~3ˑ105时,斯特劳哈尔数数值近似于常数值(0.21);当雷诺数数值达到3ˑ105~3ˑ106时,有规律的漩涡脱落现象便不再存在;当雷诺数数值大于3ˑ106时,卡门涡街又会出现,这时斯特劳哈尔数约为0.27[8](图4)㊂图4㊀不同雷诺数液体绕柱流动状态当涡激振动的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏㊂除了雷诺数会影响涡激振动的出现外,圆柱体的质量比也会影响相同来流下涡激振动的振幅大小[9-10],影响涡激振动对立管损伤的程度㊂当来流冲击立管圆柱体产生涡激振动后,会使立管在顺流向和横流向两个方向因为受力而产生震动,这两个方向上的力的大小可利用公式(3)[11]计算:F x=12C dρDU2,F y=12C lρDU2,(3)式中:F x㊁F y分别为立管受到的阻力和升力,D为圆柱直径,ρ为流体密度,C d㊁C l分别为阻力系数和升力系数,U为流体速度㊂由此可见,相关研究需记录涡激振动作用下立管顺流向㊁横流向两个方向上的相关数据(图5)㊂图5㊀双向受力监测2㊀海洋立管涡激振动研究方法的发展自卡门涡街现象被发现以来,海洋立管的涡激振动研究经历了从实验研究㊁理论模型分析㊁计算流体力学方法的应用等多个阶段㊂首先Feng通过圆柱体风洞试验验证了横向振动为主要振动的涡激振动的存在,Ferguson等[12]通过使用声学液位压力传感器的原始设计,发现了圆柱体漩涡激发振荡的表面和尾流现象㊂自此之后以海洋立管为代表的圆柱体的涡激振动特征研究不断通过水槽(水池)模型试验得以完成[5,7]㊂实验研究之外,各国学者还提出了经验模型以求解立管的涡激振动问题㊂首先,Hartlen等[8]开创性地建立了尾流振子模型的数学表达式;随后,各国学者通过数十年的努力和研究对尾流振子模型不断地进行改进和发展㊂Skop 等[11,13]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㊂Kim等[14]以及Facchinetti等[15]则对此进行了进一步的修正和改进㊂而郭海燕等[16]则考虑了立管内流对立管涡激振动的影响㊂近年来,随着计算和存储技术的发展,越来越多的人开始转向利用计算流体动力学(CFD)技术解决VIV问题㊂通常CFD模型可以分为四类:离散涡方法(DVM),雷诺平均N-S方程(RANS)方法,大涡模拟(LES)方法以及N-S方程直接模拟(DNS)方法㊂3㊀影响涡激振动的相关因素在海洋油气开发过程中,海洋立管从海底输送到海面的混合体成分包括油㊁气㊁水以及沙石等等,是复杂的混合物,在超长立管管道内输送由于内外3第2期㊀㊀㊀㊀㊀王春光,等:海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述流耦合作用下造成明显的周期性和压力波动特性的不稳定现象,以至于引起立管的振动[17-18]㊂为研究立管涡激振动的影响,考虑多因素影响的预测模型[3]以及考虑海洋环境参数的涡激振动特征研究[19]是必不可少的㊂图6展示了海洋立管配置情况,由此可见,海洋立管系统复杂多变,需考虑的设计参数及环境因素多样㊂图6㊀水下海洋立管配置[20]现在关于海洋立管的涡激振动研究正从之前的单因素研究发展到现如今的多因素研究㊂使海洋立管产生涡激振动的主要原因包括立管本身的材料特性㊁洋流流速㊁顶部张力㊁边界条件以及波浪等㊂葛士权等[21]通过利用ANSYS 软件进行了多因素影响下的海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟(图7)㊂大长细比是实际工程中很明显的一个特点,Wang 等[22]针对大长细比立管模型在洋流作用下的涡激振动响应进行了实验研究㊂关于顶张力对立管在涡激振动中频率的影响方面,Yang [23]通过实验得出预张力的增加,组合激励下的顶部张紧提升管(TTR)的不稳定性会被抑制,但抑制效果的提升与预张力增加不成比例㊂李文华等[24]将立管简化为典型的Euler-Bernoulli 弹性梁模型,根据传递矩阵理论得出表观重力和立管内外侧压力差引起的海洋立管轴向拉力的变化可影响立管本身固有频率的结论㊂张永波等[25]研究了顶张力对立管涡激振动的影响㊂柳军等[26]通过实验得出结论,在均匀流速条件下,立管的振动频率在顺流向条件下是横流向条件下的两倍,因此两个方向的影响相差不大,应该同时考虑两个方向的影响㊂殷布泽等[27]通过总结过往的海洋立管涡激振动实验提出要更加注重波浪对于海洋立管涡激振动的影响㊂李莹等[28]针对边界条件进行研究,对立杆端部应用铰接固接两种边界支座进行研究,发现其他参数相同时,两端铰接时立管的震动幅度大于立管两端固接时的震动幅度,Gao 等[29]通过数值分析的方式研究得出在一定范围内立管长细比(L /D)越小,不同边界条件下的VIV 位移差异越大㊂巫志文等[30]的研究中考虑建立随机波浪和涡流激励联合作用下海洋立管动力响应的数学分析模型,通过此模型进行随机波浪对立管涡激振动的影响进行研究㊂Wang 等[31]进行了多因素实验,研究了立管材料㊁流速㊁顶张力和边界条件几个因素综合对立杆涡激振动的影响,但是并没有结合波浪的影响(表1)㊂图7㊀数值模拟海洋立管变形情况[21]表1㊀Wang 等进行多因素实验的工况[31]4山东理工大学学报(自然科学版)2024年㊀㊀㊀通过结合新的实验方法[32],崔阳阳等[33]进行了多参数耦合作用下的海洋立管涡激振动实验,并基于灰色理论[34]实现了影响因素重要性排序,但该实验并没有考虑周期性波浪对于海洋立管涡激振动的影响㊂4㊀涡激振动的监测和抑制方法为抑制海洋立管由涡激振动引起的疲劳损伤,学者们在涡激振动抑制方面展开了广泛的研究㊂Rodriguez [35]通过改变物体形状和尾翼形状设计进行实验,探究形状对涡激振动的影响,但此实验的实验对象与环境模拟与海洋立管相差很大(图8)㊂图8㊀Rodriguez 实验试件与实验效果[35]Owen 等[36]进行了圆形柱体在不同雷诺数范围的涡激振动实验,并发现施加质量块后涡激振动可减少47%㊂娄敏等[37]通过实验发现在锁振状态下,通过敲击立管打破流体与结构之间的耦合关系可以达到抑制涡激振动的效果㊂王海青等[38]提出了在立管外部构造三种不同形状来达到抑制涡激振动的效果并进行了实验㊂Gao 等[29]分析模拟得出对于具有小长径比的圆柱体,不同边界条件下的VIV 位移存在明显差异㊂吴仕鹏等[39]通过在立管外添加螺旋板来研究其对于涡激振动的抑制效果,结果表明在高雷诺数来流情况下该装置能大幅降低立管疲劳风险㊂娄敏等[40]采用仙人掌形状截面的立管,通过数值分析得出在约化速度4~8范围能降低横顺两方向的振动幅值㊂李子丰等[41]采用羽翼状外包进行实验研究,发现加装该结构能有效减少圆柱后涡旋的产生㊂翟云贺等[42]提出一种双组双螺旋的装置,实验表明在当来流为对称流时,双组双螺旋装置能有效抑制涡激振动㊂沙勇等[43]通过实验对螺旋列板的几何参数对于涡激振动影响进行研究,为以后的相关研究提供了宝贵数据(图9)㊂齐娟娟等[44]提出了一种口型截面的三螺头螺旋导板,并进行了风洞试验,实验得出该装置对于大质量阻尼比圆柱有较好的抑制涡激振动的效果(图10)㊂睢娟等[45]利用外包毛绒进行风洞试验,得出绒毛长度增加,抑制效果越好的结论㊂王伟等[46]提出一种安装旋翼的方案,通过数值模拟得出随着旋翼旋转速度增加立管振幅减小㊂周阳等[47]利用带螺旋侧板的立管模型进行试验,结果表明该装置能够扰乱尾流涡旋,抑制涡激振动㊂图9㊀含有保温层的立管螺旋列板的横截面[43]图10㊀试验模型安装及螺旋导板模型结构示意图[44]除了通过改变立管外包形状进行被动抑制,近些年也有学者提出通过主动对立管施加作用来进行主动抑制㊂Yang 等[23]通过实验得出通过增加顶张力可以对涡激振动进行抑制,但抑制效果与力的增加成非线性关系㊂Wang 等[48]利用雷诺数为100的合成射流进行涡激振动的抑制㊂Chen 等[49]提出利用吸流法进行涡激振动的抑制㊂赵瑞等[50]提出通过施加端部激励来进行涡激振动的抑制,实验结果表明,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移㊂Zhang 等[51]针对具有顶部张力的柔性船舶立管系统控制立管振动进行研究,实验表明在适当的参数选择下系统具有良好性能㊂随着信息技术的发展,将计算机信息技术与实际工程结合成为近年学者们研究的方向,Wong 等[52]提出可以利用神经网5第2期㊀㊀㊀㊀㊀王春光,等:海洋立管涡激振动的基本理论㊁研究方法㊁影响因素及抑振方式的研究综述络结合使用Matlab 中的LHS 技术预测TTR 短期涡激振动疲劳损伤的简化方法㊂高喜峰等[53]提出要利用BP 神经网络预报柔性立管涡激振动横流向及顺流向位移和频率响应,随后Yu 等[54]以及Yan 等[55]利用了基于自适应神经网络的边界控制方法,以预测振动风险,从而及时采取对应抑振措施(图11)㊂图11㊀BP 神经网络结构5㊀结束语开发海洋油气资源已经成为中国缓解油气对外依赖的重要途径,而海洋立管作为海洋资源开发平台中不可或缺的重要组成部分,其涡激振动导致的疲劳破坏是重点研究和关注的领域㊂本文从海洋立管涡激振动的基本理论㊁海洋立管涡激振动研究方法的发展㊁影响涡激振动的相关因素㊁涡激振动的监测和抑制方法四个方面对海洋立管涡激振动的相关研究进行综述,由综述可知:1)海洋立管的涡激振动研究方法经历了试验现象研究到理论与经验公式创建再到借助高性能计算机的计算流体力学研究的发展;同时,可以发现影响海洋立管涡激振动特征的因素包括顶部张力㊁海洋洋流(流速㊁流向等)㊁波浪特征(波高㊁周期等)㊁支承条件㊁立管长细比㊁立管材料以及内流的影响等㊂2)对于海洋立管涡激振动特征的研究正由单因素研究向多因素耦合研究发展,但目前多因素耦合作用下的相关研究仍显不足㊂为了更加贴合实际工程,实现更安全㊁更高效的海洋油气的开发,多因素耦合作用下的海洋立管涡激振动研究将是未来研究的重要方向之一㊂3)在海洋立管涡激振动抑制方法的研究中,研究者们发现改变立管质量㊁破除耦合关系㊁改变立管及其附加物形状㊁引入主动抑振手段等均可有效改善立管的涡激振动现象,其抑振研究经历由被动抑振到主动抑振再到利用先进监测及预测手段采取特定抑振方式及时介入的发展㊂4)随着信息技术的发展,海洋立管监测控制系统将发展为利用信息采集及处理平台,结合主动控制技术实现其工作状态监测㊁故障发现以及主动控制的集中化㊁智能化系统㊂参考文献:[1]IEA.Oil 2021:Analysis and forecast to 2026[R].Paris:Interna-tional Energy Agency,2021.[2]IEA.Offshore energy outlook[R].Paris:International Energy A-gency,2018.[3]LIU G,LI H,QIU Z,et al.A mini review of recent progress on vor-tex-induced vibrations of marine risers [J].Ocean 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均匀流作用下海底电缆涡激振动的试验研究
0 引言
海底电缆工程是跨海联网工程的重要组成 部分，由于海底地形的复杂性以及洋流冲刷等 原因，直接敷设于海床上的海底电缆常出现与
海床表面不直接接触的悬空段。这些悬空段在 水流作用下，易产生共振，对海底电缆结构产 生破坏。因此，研究海底电缆振动特性，对海 底电缆的安全防护具有重要意义。
* 收稿日期：2019-07-22 第一作者简介：岳浩(1988-)，男，湖北武汉人，硕士，工程师，主要从事输电线路、电缆的设计与研究工作。
电网设计 均匀流作用下海底电缆涡激振动的试验研究
DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2019.09.002
均匀流作用下海底电缆 涡激振动的试验研究
岳 浩 1.2，吴高波 1.2，李 健 1.2，王国玉 3，朱俊杰 3 (1. 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071 ；
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图1 边界层分离示意图
当海缆的固有频率与涡脱落的频率接近时， 其将产生“锁定振动”的现象。这时海缆结构 处于共振状态，振动非常强烈，会导致海缆结 构产生疲劳破坏。在物理模型试验方面，文献 [1] 通过总结长细比为 35 ～ 70 的圆柱涡激振动实 验结果指出，受阻尼的影响，海缆涡振的最大 幅度约是其管径的 2 倍。此外，部分学者分析 了固定海床上海底管线的一阶和二阶涡振模态 特性 [2-5]。但是，目前关于均匀流作用下海底电 缆涡激振动的研究报道较少。
07 2019年09月 第9期
电网设计 均匀流作用下海底电缆涡激振动的试验研究
海底电缆在有水流经过时，其后方会形成 交替的漩涡脱落。漩涡的脱落与边界层的分离 有关，流体流经物体表面时流场被分为两个区 域 ：①紧贴物体表面附近的区域，即边界层， 该区域内物体表面法线方向上的流速梯度非常 大，剪切应力不可以忽略；②边界层以外的区域， 该区域流体的粘性可以不考虑，流场可由势流 理论确定，即 Bernoulli 方程是有效的。边界层 沿物面法线方向存在着切向速度的梯度，并因 此而产生了剪切应力。剪切应力对边界层的流 体来说是阻力，所以随着流体沿物面向后流动， 边界层内的流体会逐渐减速、增压。由于流体 流动的连续性，边界层会变厚以在同一时间内 流过更多的低速流体。因此，边界层内存在着 流向的逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会 进一步减速。根据势流理论，流体在前后两个 停滞点处流速最小、压强最大。当边界层内流 体粒子的动能不足以抵抗顺压区压强时，流体 从圆柱表面分离出来，边界层分离处称为分离 点，见图 1。分离点不断前移，在压强差的作用下， 圆柱后侧的流体开始反向流动，在圆柱两侧产 生交替脱落的尾流涡街。
海洋立管涡激振动抑制方法
海洋立管涡激振动抑制方法嘿，你知道海洋立管不？这在海洋工程里可是个相当重要的家伙呢。
就像是海洋和海上平台之间的一个桥梁，石油啊，天然气啥的，都得靠它运输。
可是呢，这海洋立管有个大麻烦，那就是涡激振动。
这涡激振动就像一个调皮捣蛋的小恶魔，老是给海洋立管找麻烦。
我有个朋友叫小李，他就在搞海洋工程相关的研究。
有次我们聊天，他就跟我大倒苦水啊。
他说，你看这涡激振动，一旦发生了，那立管就晃悠个不停。
这晃悠可不是小事儿，就像一个人老是被人在耳边嗡嗡嗡地吵，心烦意乱不说，时间长了还可能把身体搞垮。
海洋立管也是这样，这涡激振动要是不加以抑制，立管可能就会疲劳损坏，这维修起来成本可高了，搞不好还会造成泄漏啥的，那对海洋环境的破坏可就大了去了。
那怎么来抑制这个涡激振动呢？这可有不少的办法呢。
有一种方法就像是给海洋立管穿上一层防护服，这就是附加阻尼装置。
我记得有一次去一个海洋工程的展览，看到一个模型，讲解员就跟我们说这个阻尼装置的妙处。
这个装置安装在立管上，就好比是给一个容易晃悠的杆子加上了一些缓冲的东西。
当涡激振动产生的时候，这个阻尼装置就能吸收能量，就像海绵吸水一样。
这样立管就不会晃悠得那么厉害了。
不过呢，这阻尼装置也不是完美的，它的设计和安装都得特别讲究，要是没弄好，就像一件不合身的衣服，起不到应有的作用。
还有一种方法，那就是改变立管的形状。
这就好比是给一个人换个姿势，让他站得更稳。
我有个同事小王，他以前在做一个关于海洋立管的项目的时候，就提出过这个想法。
他说，把立管的截面形状从圆形变成椭圆形或者其他特殊形状，那涡旋脱落的规律就会改变。
就像水流过不同形状的石头，产生的漩涡是不一样的。
这样一来，涡激振动的强度就会大大降低。
但是这改变形状也不是随便改的，得考虑很多因素，像立管的功能啊，安装的难度啊之类的。
另外呢，控制立管周围的流场也是个好办法。
这就像是在一条湍急的河流里，想办法让水流变得平缓一些。
我在一次研讨会上听到一位专家讲这个事儿。
深水海洋管道系统的力学性能分析与改进设计
深水海洋管道系统的力学性能分析与改进设计摘要：深水海洋管道系统在海洋工程中起着重要的作用，但在实际应用中，其力学性能问题一直是研究的热点。
本论文通过对深水海洋管道的力学分析与改进设计进行研究，以期提高其力学性能和抗力的能力。
1. 引言深水海洋管道系统是连接海底开采设施与陆上工程设施的重要组成部分。
在石油、天然气等资源的开发过程中，深水海洋管道不仅承载着越来越高的外部载荷，也需要满足更高的抗力要求。
因此，深水海洋管道的力学性能分析及改进设计具有重要的理论和实际意义。
2. 深水海洋管道系统的力学性能分析深水海洋管道系统受到多种力学因素的影响，如海水压力、波浪、海流以及地震等。
其中，海水压力是对深水海洋管道系统施加的额外载荷，通过压力差驱动，常常引起深水海洋管道系统产生塑性变形和运动。
而波浪和海流则会引起深水海洋管道系统振动和摆动，从而影响其稳定性。
同时，地震可以产生巨大的动力载荷，进一步加剧对深水海洋管道系统的力学性能挑战。
为了分析深水海洋管道系统的力学性能，可以采用有限元法进行建模。
首先，通过对深水海洋管道系统的几何特征进行建模，包括管道直径、厚度以及连接件等。
然后，将外部载荷施加到管道模型上，以模拟实际的工作环境。
最后，通过有限元分析，得出深水海洋管道系统在不同载荷下的应力、位移等参数，以评估其力学性能。
3. 深水海洋管道系统的改进设计为了提高深水海洋管道系统的力学性能，可以从以下几个方面进行改进设计：3.1 材料选择：在深水海洋环境中，海水中的腐蚀性物质会对管道材料造成破坏，因此需要选择具有较高耐腐蚀性能的材料。
例如，可以选用高强度的不锈钢、耐腐蚀铜合金等。
3.2 结构优化：通过对深水海洋管道系统的结构进行优化设计，可以减小系统的自重、降低流体阻力和风载荷等。
例如，可以添加减重防风圈、减小管道的直径等。
3.3 加固措施：可以采用加固措施来提高深水海洋管道系统的抗力能力。
例如，可以在管道的敏感部位添加加固结构，如环形加固环等。
顶张力立管三维涡激振动研究
顶张力立管三维涡激振动研究
崔鹏;郭海燕;顾洪禄;李效民;李福恒
【期刊名称】《中国海洋大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(52)11
【摘要】为研究深水顶张力立管的三维涡激振动(VIV)响应特性,本文基于向量式有限元法(VFIFE),采用弹簧模型模拟张紧器对立管的作用,考虑立管轴向变形对立管涡激振动的影响,建立深海立管的三维非线性振动模型,并结合Modified-Rayleigh尾流振子模型,对立管顺流向、横向和垂向三维涡激振动进行了分析。
通过与试验对比,本文模型能够较准确地预报立管的涡激振动动力响应。
分析结果表明:立管轴向变形会引起立管轴向张力的明显增大,在立管分析中,轴向变形引起的轴向张力变化是不可忽略的。
【总页数】8页(P149-156)
【作者】崔鹏;郭海燕;顾洪禄;李效民;李福恒
【作者单位】中国海洋大学工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】P751
【相关文献】
1.基于小波变换的顶张力立管涡激振动规律实验研究
2.顶张力立管涡激振动抑振装置性能比较
3.顶张力对深水刚性立管涡激振动及疲劳损伤的影响
4.顶张力立管的两向涡激振动疲劳寿命时域分析
5.深水顶张力立管涡激振动疲劳损伤分析
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海底地震仪及其国内外发展现状
文章编号:1001-909X (2004)02-0019-09收稿日期:2003-05-19基金项目:973资助项目(G 200004760404)作者简介:阮爱国(1963-),男,浙江温岭市人,博士,主要从事地球物理方面研究。
海底地震仪及其国内外发展现状阮爱国1,李家彪1,冯占英2,吴振利1(1.国家海洋局第二海洋研究所,国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州 310012;2.北京联合大学自动化学院,北京 100101)摘 要:以改进型得克萨斯海底地震仪为主线,详细描述了海底地震仪的工作原理、主要仪器参数、观测方式和回收方法,同时,对美国、日本等几个国家和地区海底地震仪研制和实际观测工作方面的发展状况作了简要介绍,并对海底地震仪的发展趋势和应用前景作了展望。
关键词:海底地震仪;发展现状中图分类号:P 716+.83 文献标识码:A0 引言海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)是一种将检波器直接放置在海底的地震观测系统,在海洋地球物理调查和研究中,既可以用于对海洋人工地震剖面的探测,也可以用于对天然地震的观测,其探测和观测结果可以用于研究海洋地壳和地幔的速度结构及板块俯冲带、海沟、海槽演化的动力学特征,也可以用于研究天然地震的地震层析成像以及地震活动性和地震预报等,目前美国、英国、日本等国家已纷纷投入大量人力物力进行海底地震仪的研制和应用研究[1]。
在我国,虽然曾有部分单位通过国际合作等方式开展过少量的人工剖面探测方面的工作[2～4],但总体来说这方面工作尚处于起步阶段,我国的OBS 观测系统仍处于研制和试验阶段[5,6]。
本文对海底地震仪的工作原理和方法进行了详细描述,并对美国、日本等几个发达国家和地区的OBS 观测系统研制发展状况作了简要介绍。
1 设计原则[7～9]设计海底地震仪时,有以下原则:(1)要保证地震仪与海底有良好的接触。
部分海底的覆盖物并不是岩石,而是软沉积物,因而要想获得良好的数据记录,必须使地震仪与海底有良好的接触。
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个整体 的动力系统 ， 处 理好实验 中 的流 体和结
激振 动实 验 ， 空气 密度 较 小 ， 质 量 比较 大 ， 立 管
内空 气 的 质量 对 立 管 的 自振 频 率 影 响较 小 ， 产
构耦合 可以更好 的研究 立管 的涡激振 动现 象 ］ 。 在涡激振 动过程 中 ， 流体 的动力影 响着立 管 的加 速度 、 速度 和位移 ， 而且立 管 的加 速度 、 速 度 和位 移是立 管质量 比、 阻尼 和雷诺 数等 耦合 的结 果 ，
收 稿 日期 ： ２ Ｏ １ ３ １ ０ ２ ８ 基金项 口： 北 京 市 自然 科 学 基 金 项 目 ， 北 京 市 教 育 委 员 会 科 技 计划 重 点 项 目（ ＫＺ ２ ０ １ ２ １ ０ ０ １ ７ ０ １ ７ ） ； 北 京 市 属 高 校 创 新 团 队 建设提升计划（ １ ＤＨＴ ２ ０ １ ３ ０ ５ １ ６ ） 。 作者简介 ： 胡勇（ １ ９ ８ ９ ～） ， 男， 硕士 研究生 ， 主 要 从 事 现 代 测 控 技 术 与 仪 器 ，Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ｈ ｕ ｙ ｏ ｎ ｙ＠ ｂ ｉ ｐ ｔ ．ｅ ｄ ｕ ．Ｃ Ｆ Ｉ ；代 峰 燕 （ １ ９ ７ ２ ） ， 男， 博士 ， 副教授 ， 主 要 从 事 现 代 测 控 技 术 与仪 器 ，
此实 验 只需要 十几 次 的振 动 就能 达到 立管 的最 大 幅值 。油一 般 不 被 用 于 涡激 振 动 实 验 中 ， 因 为其 黏性 大 、 成本 高 、 污染大、 易燃 等 。
１ ． ２ 结 构 尺 寸 对 涡 激 振 动 的 影 响
涡激 振 动实验 的立 管模 型分 成无 比尺 和 有
第 ２ ２卷
第 ２ 期
北 京石 油化 工学 院学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ
Ｐｅ ｔ ｒ ｏ — ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈｎ ｏｌ ｏ ｇｙ
Ｖｏ １ ． ２ ２ ＮＯ ． ２
比尺 ２大 类 ［ 。 无 比 尺 的 立 管 长 细 比 一 般 较
第 ２期
胡 勇等 ．海洋 深水 立管 涡激 振动 实验 研究 的发 展状况
５ １
大， 多 为细长柔 性立 管 ， 而有 比尺 的立管 长细 比
一
振 动和 ２种 振 动 的共 同作 用 ３种 不 同 类 型 实 验 。 自激振 动 实验 需 要 立 管 弹 性 支撑 ， 流 体 流
理论依据 。
关键 词 ： 海 洋 立 管 ；涡 激 振 动 ；耦 合
中图分类号 ： Ｐ７ ５ ４ 文 献 标 志码 ： Ａ
海 洋 立 管 涡 激 振 动 汇 集 了力 学 领 域 的 难
点、 重 点 问题 ， 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
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 。笔
者总 结归 纳 了 国内外 在 海洋立 管 涡激振 动 方面 的试 验 成 果 ， 并 深 度分 析 了 海洋 立 管 涡 激振 动 研 究 的难 点 。
生 的锁 定 频率 和 在 空气 中 的 自振频 率 相 近 ； 实
验需 要 上 千 次振 动 才 能达 到 立 管 的最 大 幅 值 。
然而 ， 涡激 振动 实验 中 ， 在 立 管 内部 充 满 水 的 情
所 以实验 外在 变化 因 素将从 流 体与 结构 两 方 面
考虑 。涡激振动实 验结构如 图 １所示 。
素， 近 几 十 年 里 科 研 人 员 在 此 方 面做 了大 量 的研 究 工作 。 笔 者 以 海 洋 立 管 为研 究 对 象 ， 总 结 了在 流 体 和
结 构 方 面 国 内外 学 者 对 海 洋 立管 涡 激 振 动 上 的 研 究 成 果 。为 更 进 一 步 的海 洋 立 管 涡 激 振 动 研 究 提 供 了
Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ｄ ａ ｉ ｆ ｅ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ＠ｂ ｉ ｐ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ。
况下 ， 水 的密度 与立 管 的密度 相差 不 大 ， 质 量 比
较低 ， 锁 定 频 率 在水 的影 响下 会 有 别 于 涡激 脱 落频 率和 自振 频 率 而 产 生 一 个新 值 ］ ， 同时 在
图 １ 涡 激振 动 实 验 结 构
１ ． １ 流 体 介 质 对 涡 激 振 动 的 影 响
１ 涡 激 振 动 耦 合
在涡激振 动实验研究 中 ， 流体和结构 往立 管 内部 一 般 填 充 空 气、 水 和 油等 流 体 介 质 Ｉ 。在 空 气 中进 行 的涡
摘要 ： 在海洋环境 中， 涡激振动 （ ＶＩ Ｖ） 是 流体 固体藕合作 用 的结果 ， 也 是 流 体 力 学 和 结 构 力 学 的 融 合； 但 是耦合的作用力会降低立管寿命 ， 立 管一 旦 发 生疲 劳 破 坏 ， 原 油 的泄 漏 不 仅会 使 工 程 蒙 受 损 失 ， 还 将 引发 严 重 的 环境 污染 和二 次 灾 害 ， 因此 深 海 立 管 的 涡 激 振 动 在 立 管 设 计 中 是 一 个 需 要 考 虑 的 重 要 因
２ ０ １ ４年 ６月
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ４
海 洋 深水 立管 涡 激 振 动 实验 研 究 的发 展 状 况
胡 勇 ， 代 峰 燕。 ， 周 灿 丰 ， 杨 洋 ， 焦 向东
（ １ ．北 京 工 业 大 学 机 械 工 程 与 应 用 电子 技 术 学 院 ， 北京 １ ０ ０ １ ２ ４ ； ２ ．北 京 石 油 化 工 学 院 能 源 连 接 工 程 研 究 中 心 ， 北京 １ ０ ２ ６ １ ７ ）