海洋立管涡激振动计算方法进展_秦延龙

第23卷第4期2008年8月中国海洋平台CHI NA O FFSH OR E PL AT FO RM V ol.23N o.4A ug.,2008收稿日期:2008-01-22

基金项目:国家863计划海洋领域重大项目(2006AA09A104)作者简介:秦延龙(1956 ),男,高级工程师,从事海洋工程及深海采油平台研究。

文章编号:1001 4500(2008)04 014 04

海洋立管涡激振动计算方法进展

秦延龙, 王世澎

(中国石油集团工程技术研究院,天津300451)

摘 要:针对海洋立管的涡激振动的计算问题,评述了近年来国内外研究进展,并对未来的发展趋势进行

展望。

关键词:涡激振动;计算方法;经验模型;CF D

中图分类号:P75 文献标识码:A

COMPUTATIONAL METHODS PROGRESS OF THE

VORTEX INDUCED VIBRATION OF OCEAN RISERS

QIN Yan long, WA NG Shi peng

(CNPC Research Institute of Engineering Technolog y,Tianjin 300451,China)

Abstract:T his paper reviews the liter ature on the com putational metho ds used to investi

gate vor tex induced vibration (VIV )of ocean risers in r ecent years.Through conclusion,

highlighting the natur e of VIV and how to reduce vibration amplitude ar e the key w ork in the

future.

Key words:vo rtex induced vibration;com putational m ethods;em pirical models;CFD

0 简 介

海洋立管是海洋平台或钻探船舶与海底井口间的主要连接件。立管系统在工作期间,内部有高压的油和气通过,外部承受海洋环境荷载、冲击荷载以及浮式装置运动等,受力复杂。当波浪、海流经过立管时,在一定的流速下会产生漩涡脱落,使得立管发生横向振动,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,因此立管系统的涡激振动问题,受到各国学者的重视,进行了大量的实验和数值模拟工作,并且建立了很多涡激振动模型。本文依托于国家863计划海洋技术领域重大项目 深水半潜式钻井平台关键技术 ,针对国内外近年来关于涡激振动计算方法进行归纳总结与评述。

对于海洋工程而言,涡激振动(VIV)的分析方法主要有两种:(1)通过实验或参数预测的手段,依靠试验数据去获得有效的计算结果;(2)利用CFD 技术求解Nav ier Sto kes 方程,直接求得水动力项。具体如图1所示。

然而,随着近来计算机软硬件以及CFD 计算方法的发展,越来越多的研究者开始采用数值方法。数值方法可以在理想的条件下精确控制影响参数的量值。可以准确地追踪流体力、结构的位移以及流场信息,而不需要像模型实验中那样从实验仪器中提取并经过复杂的数据处理手续。

图1 涡激振动计算分析方法[1]1 经验模型

虽然通过直接对流场数值求解还

有一定的困难,不过解决问题的另一

种途径是采用经验模式方法,该方法

不考虑具体的流场结构,而将流体和

其中的振荡物体视为一个整体系统,

把尾流看成一个非线性振子,尾流振

子的振动引起结构的振动,反过来,结

构的振动又对尾流有一个反馈的作

用。这个过程可以用一种适当的模型

方程来描述它,其中包括若干个用经

验或试验确定的系数,求解之后,可以

较好地再现系统的运动特性,并对现

象本身从总体上和物理本质上能有较

为直观的了解。

Birkhoff 和Zar antanello [2],Bisho p 和H asso n [3]提出尾流振子模型概念,通过对振动圆柱体升力和拖曳力的测量结果进行分析,认为尾流对结构的作用相当于一个非线性振子。据此,H artlen 和Curr ie [4]首先提出了振子模型的数学表达式,用Van De Pol 方程的近似形式作为升力系数的控制方程,并同结构的振动方程联合求解。Iw an 和Blevins [5]通过假设一个流体变数,由动量方程导出了一个与H artlen 和Curr ie 的模型相类似的方程,并给出了用于二维流场弹性支撑刚性圆柱体的尾流振子模型,后又将其推广到弹性圆柱体。在此模型基础上,Iw an [6]进一步提出了预测非均匀流的圆柱体涡激动力响应的方法。

近年来,尾流振子模型有了较大发展。Kim [7]研究了尾流振子沿跨向连续分布在柔性结构上,并允许相互作用,在均匀流或剪切流中的漩涡从静止结构物和柔性结构物上脱落的三维特性。郭海燕[8][9]以支撑于浅海固定式平台上的弹性立管为例,研究其在内部流动和外部波浪、海流共同作用下的动力特性及涡激振动响应。以Francis Bio lley 改进的Van der Pol 尾流振子模型为基础,建立海洋立管涡激振动微分方程,用H er mit 插值函数对立管微分方程进行离散,并用M iner 理论对立管的疲劳寿命进行分析,分析管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。Facchinetti 和Lang re [10]

总结了近30年来20多篇关于尾流振子模型的理论和实验研究,系统地阐述了非均匀流弹性圆柱体的涡激振动,并以Van De Po l 方程为基础,对尾流振子模型进行了一定的改进。

通常,立管的VIV 预报考虑稳态情形,即认为立管的响应可以分解为若干个离散频率上以相应的振型做一定振幅的叠加振动。而构建预报模型需要考虑3个相互关联的问题:(1)模态频率的确定;(2)模态振型与模态幅值的大小;(3)一定模态激发区域的界定(根据折合速度或者模态频率)。然而现有的预报模型多数建立在不同的理论框架上,没有综合考虑上述问题,而且引入了大量假设,致使预报结果差别相当大。近来,国际上的研究方向己经从构造某种非线性方程描述此类流固耦合问题(如尾流振子模型)转移到利用受迫振荡实验数据,分析细长柔性圆柱体的VIV 特性,模型分析一般有两种形式,一是基于结构刚性和质量的所谓无阻尼模型;二是简单的阻尼模式(通常叫做混合模式)。基于此种方法的几种计算模型在海洋工程中得到广泛的应用,比较著名的有SH EAR7[11]、VIVA [12]、VIVANA [13]。

应该指出,尾流振子模型的控制参数来源于实验与经验,虽然能够模拟出若干VIV 的非线性特性,并给出量级大体相当的预报,但是其精度仍依赖于经验参数的选取。就上面提到的3个问题,可对现有的大部分尾流振子模型存在的问题归纳如下:(1)响应幅值按照某种拟合曲线及放大因子人为确定;!15!第4期 秦延龙等 海洋立管涡激振动计算方法进展

(2)没有恰当地考虑附加质量效应对结构振动频率的影响;

(3)锁定范围或激发范围按折合速度上下限事先给定。

这些问题制约着现有模型的精度与适用性。尽管这些模型得到的一些合理的结果,部分已经商业化,但是模型本身的假设以及不确定因素影响还需要进一步研究。

2 应用CFD 分析V IV

近年来,随着计算和存储技术的发展,更多的人转向用计算流体动力学(CFD)技术解决VIV 问题。按照对湍流采取的不同处理方式,可以将CFD 模型大体分为4类:离散涡方法(DVM )、雷诺平均N S 方程(RANS)方法、大涡模拟方法(LES)方法以及N S 方程直接模拟(DNS)方法。它们对实际流动问题模化的方式不同,计算效率也不一样。如何选取CFD 方法,存在这样的矛盾:引入较多的假设,可以提高计算效率,但降低了计算精度;如果不需要任何 模化 ,例如DNS,可以追求较高的精度,但其计算效率对工程需要来讲明显不够。因此,多数学者都在致力于通过使用RANS(结合适当的湍流模型)和LES(采用适当的亚网格模型),在保证一定计算效率的前提下,开发出适用于工程设计的程序。

离散涡的模拟是把流场中涡量集中或连续分布的地方用很多分散的点涡或线涡来近似表示,离散涡模型是在集中涡模型的基础上改进的[14],利用这种方法成功地预报了在一定雷诺数下的受力、涡漩样式和涡泻频率。

RANS 方法采用雷诺平均后的N S 方程作为基本的控制方程,针对雷诺应力的计算,提出不同的湍流封闭模式,忽略湍流运动中的细节,揭示了湍流能量产生和消散,开辟了湍流研究新的途径并成为现阶段研究湍流的基本工具,在海洋工程中比较流行。通常它能解决高雷诺数湍流问题。Guilmineau 和Queuty [15]利用剪切输运(SST )k - 模型解决湍流问题,计算在低质量-阻尼情况下弹性支撑圆柱流体力,并与物理实验得到的结果进行对比,计算雷诺数在900~15000。模型很好地计算出最大振幅。

利用RANS 模型预测立管系统在均匀流作用下的受力和运动状态,尤其是低质量比的情况下,是现阶段研究的一个主要方向。在引入的假设较少情况下,将立管的有限元模态分析与涡激振动响应计算结合在一起,合理考虑低质量比涡激振动圆柱体的响应特性,利用折合频率与无量纲振幅推算流体力系数与附加质量,可以得到较好的涡激振动预测模型[16]。

对比RANS 方法,DNS 方法试图解决任何时间和空间范围内问题,且不需任何假设。然而网格划分需相当细化,以致利用现在的技术去解决实际问题将耗费大量的时间,即使这样,Lucor [19]用这种方法计算了雷诺数为1000情况下的此类问题。

大涡模拟(LES)的基本思想是把湍流的瞬时运动分解成大尺度运动和小尺度运动两部分,利用N S 方程模拟大尺度涡漩的运动,对于湍流中的小尺度涡漩则通过模型近似。在大涡模拟中,对小尺度涡漩运动是通过滤波的方法进行处理的,这与雷诺平均方法有本质的不同。滤波可以在谱空间进行,也可以在真实的物理空间进行。对N S 方程进行滤波处理后,可以得到大涡模拟的基本方程,同样对于亚网格雷诺应力,仍需要引入亚格子尺度模型(Subgrid Scale M odel)来模拟。所以大涡模拟(LES)的方法是介于直接数值模拟(如DNS)与一般模式理论(如RANS)之间的折衷物。

Al Jam al 和Dalto n [20]采用LES 方法计算了中雷诺数(R e =1.3?104)时孤立柱因漩涡发放引起的振动(VIV)。对3 D 流场中的做2 D 计算,将计算的阻力、升力系数等与3 D 实验数据相对比,得出一系列阻尼比和固有频率情况下(R e =8000)圆柱涡激振动响应方面的研究结果。

国内学者则利用有限元与大涡模拟方法,结合VOF 方法模拟波浪自由表面[21],或利用有限元模型[22],计算海管周围的漩涡的释放形式和海管的振动幅度。在低雷诺数下,通过在流固边界上位移和应力的反复迭代,进行圆柱和外部流场的耦合计算,并且考虑在内流的影响下涡激振动的特性,通过与物理模型对比,建立的模型能够很好地反映流场细部结构和涡激振动特性。对如何能够抑制涡激振动,提出新的方法[21],即让圆柱产生不规则旋转,使得涡脱落秩序受到影响,从而减小振动。通过数值模拟的结果来看,这种方法!16!中国海洋平台 第23卷 第4期

能够比较有效地抑制升力,但是在实际执行方面,还需要进一步分析。对于T riang le60型的三扰流翼板在流场内的振动进行计算[22],明显地减小圆柱的涡激振动幅值。

总体来说,DVM 不能解决高雷诺数问题,DNS 将在未来占有重要地位,但现在很难用于实践之中。RANS 和LES 在今天是比较可行的方法,线性的RANS 方法不能准确计算各向异性占主导地位的湍流区域,因此,更多的工作应该放在具有非线性特点的合理湍流模型的建立上。LES 方法在近壁区域的计算结果更可靠,在LES 模拟中用的亚格子尺度模型几乎完全沿袭了一般模式理论中的思想,主要基于涡粘模型理论,并采用了Sm ag orinsky 假设。大雷诺数下的大量实验结合使用RANS 和LES 方法的三维数值模拟,就可以发展成为能够满足设计精度要求的计算程序[23]。

CFD 方法在一定程度上揭示了理想条件下的本质属性。然而,在解决湍流反复剪切作用下细长海洋结构物的VIV 问题中,动网格系统还不能完全计算结构物周围的所有流动细节。因此,船舶运动中的切片理论被应用到了海洋结构物的VIV 分析之中,这种理论是用CFD 方法只计算沿结构物切片的二维情况,最后通过对结构的运动情况进行耦合分析。由于切片理论认为涡泻是与结构物形状紧密联系的,因此这种理论在工业实际中受到了很大的重视,在本文的归纳分析中,将其列入CFD 方法内。Willden 和Graham [24]

利用切片理论计算了长的弹性圆柱(L /D =1544)在均匀水流中(Re =2.84?105)的涡激振动,通过改变管道的质量比,研究不同激振频率下圆柱的振动特性。3 展 望

近年来,随着石油工业向深海进军的投入加大,越来越多的浮式结构投入到实际生产中,立管系统的涡激振荡以及引起的结构变化和疲劳分析,已经成为浮式结构设计和分析中重要的环节。从上述研究进展来看,现阶段的主要研究情况以及未来发展趋势,可以归结为以下几个方面:

(1)尽管经验模型不断完善,在一定条件下能够得出合理的结果,但仍有一些不足之处。笔者认为应该制定详细全面的计划来获得准确的数据,并且要更多的考虑真实条件下(如切变流作用和表面粗糙结构物等)涡激振动的特性研究。(2)CFD 技术正在逐渐走向成熟,并将发挥更为重要的作用。与RANS 和LES 相比,DNS 虽然具有相当高的准确性,但太浪费时间以致不便用于工程实际之中。二维的RANS 和LES 方法结合切片理论和并行计算方法是解决实际问题的一个较好选择,是现阶段涡激振动研究一个重要的发展趋势。(3)物理模型实验研究在海洋结构物涡激振动的研究中是至关重要的,特别是在真实条件下涡激振动的特征分析。在振动过程中的流固耦合以及各向振动之间的相互联系将成为研究重点之一。(4)在充分了解涡激振动的特性后,如何减小涡激振动,例如旋转、振动和添加附属物,从而减小对深水立管的影响是下一步要进行研究的关键。对于涡激振荡的本质以及在实际工程中的计算方法的研究还需要深入下去。

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了大量次数有限元分析带来的计算量过大的问题。

(3)以随机动力响应极值的概率特性数值仿真器为基础,本文提出了自升式平台结构动力可靠性分析方法,该方法将蒙特卡洛法计算可靠性时的高精度特点与工程结构可靠性分析中所需要的计算量控制问题结合在一起,从而促进了蒙特卡洛法在工程结构可靠性分析领域中应用。

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