海洋立管涡激振动计算方法进展_秦延龙
深海立管涡激振动及其抑制方法研究
Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ａｕ ｔ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｚ ｈ ￣ｉ ａ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ ，Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ １ ８ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
度４ ． ５ ＜Ｖ ＜ ６时 ， 出现“ 锁振” 现象 ， 造 成 立 管 振 动 响应 加 强 ． 此外 ， 在安装螺旋 侧板后 ， 立 管 发 生 共 振 的 临 界
流度从 ０ ． ２ ｍ／ ｓ 变为 ０ ． ６ ｍ ／ ｓ ， 从 而验 证 了 安装 螺旋 侧 板 对 抑 制 立 管 涡 激 振 动 的有 效 性 ．
【 文章编 号１ ２ ０ ９ ６ — ２ ８ ３ ５ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ １ ５ ３ — ０ ６
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ６ — ２ ８ ３ ５ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ２ ． ０ ０ ４
深 海 立 管 涡 激 振 动 及 其 抑 制 方 法 研 究
值 模 拟 的方 法 对 深 海 顶 张式 立管 的 涡 激 振 动 及 其 抑 制 方 法 进 行 了研 究 ． 即利 用 有 限 元 软 件 ＡＢ ＡＱＵＳ模 拟 了
立 管 在 不 同流 速 下 裸 管 和安 装 螺 旋 侧 板 的 不 同 实 例 ， 得 到 其 横 向位 移 响 应 ． 结果表 明， 裸 管条件下 ， 当 约 化 速
ｄ ｅ ｅ ｐ ｓ ｅ ａ ｒ ｉ ｓ ｅ ｒ ｓ
Ｋ Ｏ Ｎ Ｇ Ｌｉ ｎ ｇｂ ｉ ｎ ， ＺＨ Ａ Ｎ Ｇ Ｈｕ ｏ ｍｉ ｎｇ ，Ｃ Ｈ ＥＮ Ｙａ ｎｇｂ ｏ ，ＦＡ Ｎ Ｇ Ｇｕ ｉ ｓ ｈｅ ｎ ｇ 。
海洋立管涡激振动计算方法进展
然而， 随着 近来 计算机 软硬 件 以及 Ｃ Ｄ计 算方法 的发展 ， 来越 多 的研 究 者 开始 采 用 数值 方 法 。数 值 Ｆ 越 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 、 构 的 位移 以及 流场 信 息 ， 结 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 。
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ４ Ｉ２ ．
Ａｕｇ 。 ００ ． ２ ８
洛 浮 主 管 渴 滋 德 针 方 法 （ 苎展
秦 延 龙 ， 王 世 澎
（ 国石 油 集 团 工 程 技 术 研 究 院 ， 津 ３ ０ ５ ） 中 天 ０ ４ １
摘 要 ：针 对 海 洋 立管 的涡 激 振 动 的 计 算 问题 ， 述 了近 年 来 国 内外 研 究 进展 ， 对 未来 的发 展 趋 势进 行 评 并
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｈ ｓ ｐ ｐｅ ｅ ｉ ｗ ｓｔ ｅ ｌｔ ｒ ｔ ｒ ｈｅｃ ｍ ｐｕ ａ ｉ ｎａ ｅ ｈｏ ｓ ｄ ｔ ｎ ｓｉ ｓｒ ｃ ： ｉ ａ ｒｒ ｖ ｅ ｈ ｉｅ ａ ｕ ｅｏｎ ｔ ｏ ｔ ｔｏ ｌｍ ｔ ｄｓ ｕ ｅ ｏ ｉ ｖｅ ｔ— ｇａ ｅ ｖ ｒ ｅ —ｎ ｃ ｄ ｖ ｂｒ ｔｏｎ （ Ｉ ） ｏｆ ｃ ａ ｒｓ ｒ ｉ ｒ ｃ ｎ ｙ ａ ｓ Ｔｈｒ ｕｇ ｃ ｃ ｕ ｉ ｎ． ｔ ｏ ｔ ｘ ｉ ｄｕ ｅ ｉ ａ ｉ Ｖ Ｖ ｏ ｅ ｎ ｉｅ ｓ ｎ ｅ ｅ ｔ ｅ ｒ ． ｏ ｈ ｏｎ ｌ ｓ ｏ
ＱＩ Ｙａ —ｏ ｇ Ｗ ＡＮＧ ｈ— ｅ ｇ Ｎ ｎ ｌｎ 。 Ｓ ｉｐ ｎ
（ ＣＮＰＣ Ｒｅ ｅ ｒｈ Ｉ ｓｉｕｅ ｏ ｇ ｎ ｅｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｓ ａ ｃ ｎ ｔｔ ｔ ｆＥｎ ｉｅ ｒｎ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｔｉｎｉ ０ ４ 。Ｃ ｉａ ａ ｊｎ ３ ０ ５ １ ｈｎ ）
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
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王春光;郑润;李明蕾;何文涛【期刊名称】《山东理工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2024(38)2【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。
本文从海洋立管涡激振动的基本理论、海洋立管涡激振动研究方法的发展、影响涡激振动的相关因素、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。
由前人工作可知,海洋立管涡激振动研究经历了试验研究、理论模型分析、计算流体力学方法的应用等多个阶段,而顶张力、洋流、波浪、支承条件、长细比、材料以及内流等均显著影响其涡激振动特征。
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。
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、故障发现以及主动控制的集中化、智能化系统。
【总页数】7页(P1-7)【作者】王春光;郑润;李明蕾;何文涛【作者单位】山东理工大学建筑工程与空间信息学院山东淄博255049;山东省海洋工程重点实验室;中国海洋大学工程学院【正文语种】中文【中图分类】P756.2【相关文献】1.新型深水海洋输液立管涡激振动抑振装置试验研究2.轴向板条对海洋立管涡激振动抑振的数值研究3.旋转翼对海洋立管涡激振动抑振的数值研究4.海洋立管涡激振动抑振方法试验研究5.海洋立管涡激振动抑振-俘能装置试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
海洋立管多模态涡激振动分岔
海洋立管多模态涡激振动分岔汇报人：日期:•引言•海洋立管多模态涡激振动的基本理论目录•海洋立管多模态涡激振动的实验研究•海洋立管多模态涡激振动的数值模拟研究•海洋立管多模态涡激振动分岔的机理研究目录•结论与展望01引言研究背景与意义•背景：海洋立管是海洋油气开发中的重要设施，其安全稳定运行对于海洋资源的开发利用至关重要。
然而，由于海洋立管所处环境的复杂性和多变性，其受到多种因素的影响，其中涡激振动是一个重要的因素。
涡激振动可能导致立管结构的疲劳损伤和破坏，从而影响油气开发的安全和稳定性。
因此，研究海洋立管多模态涡激振动分岔问题具有重要的实际意义和应用价值。
国内研究现状国内在海洋立管涡激振动方面取得了一定的研究成果，主要集中在涡激振动的实验研究、数值模拟和防治措施等方面。
然而，对于多模态涡激振动分岔的研究尚处于起步阶段，需要进一步深入探讨。
国外研究现状国外在海洋立管涡激振动方面进行了大量的研究，涉及实验研究、数值模拟和理论分析等方面。
尤其是在多模态涡激振动分岔方面，国外已经取得了一定的研究成果，为实际工程应用提供了重要的理论支撑和实践指导。
研究现状总结目前，国内外对于海洋立管涡激振动的研究已经取得了一定的成果，但多模态涡激振动分岔问题的研究仍然是一个难点和热点。
因此，开展海洋立管多模态涡激振动分岔问题的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
国内外研究现状02海洋立管多模态涡激振动的基本理论涡激振动现象涡激振动是由流体流动诱导的振动现象，其特点是振动频率与流体的流动频率相接近。
在海洋立管中，涡激振动是由于管体周围流体的周期性流动所引起，这种流动可能是由于风、浪、潮汐等自然因素或管道内部流体流动所产生。
0102多模态涡激振动在海洋立管中，多模态涡激振动可能同时存在，且各模态之间存在耦合效应，导致更为复杂的振动行为。
多模态涡激振动是指管道在不同频率和模态下的振动现象，这些模态可能是弯曲、扭转、纵向等不同形式。
脉动顶张力作用下输流立管涡激振动主共振研究
脉动顶张力作用下输流立管涡激振动主共振研究
秦营;李世博;常学平
【期刊名称】《中国海洋大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(54)7
【摘要】为定量描述海洋工程中输流立管受脉动顶张力作用时的涡激振动响应,本文研究了海洋输流立管受到内部流体、脉动顶张力和涡流激励作用时的参数主共振问题。
首先建立了该问题的数学模型,运用Galerkin法和多重尺度法对其进行求解,引入调谐参数描述输流立管第一阶固有频率同顶张力脉动频率和涡流频率的接近程度,通过改变调谐参数,研究输流立管的动力学响应。
结果表明:定常顶张力作用下,立管的振幅为单值,随着调谐参数增大,立管振幅先增大后减小,且出现明显的跳跃现象,内部流体速度和张力幅值的竞争机制也会影响立管振幅;脉动顶张力作用时,在一阶锁频的条件下,随着调谐参数变化,立管的振幅呈现“多值—单值—多值”的变化规律,顶张力均值或脉动幅值越大,立管振幅的变化范围越宽。
【总页数】7页(P72-78)
【作者】秦营;李世博;常学平
【作者单位】成都大学计算机学院;成都大学模式识别与智能信息处理四川省高校重点实验室;西南石油大学机电学院
【正文语种】中文
【中图分类】P751;O322
【相关文献】
1.顶端平台纵荡运动与来流联合作用下顶张紧式立管涡激振动的数值模拟
2.涡激致顶张力立管双频参量共振研究
3.顶张力立管三维涡激振动研究
4.多频参激—涡激联合作用下顶张力立管分岔分析
5.计及内输流作用的立管涡激振动响应特性研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望
海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望黄旭东;张海;王雪松【期刊名称】《海洋学研究》【年(卷),期】2009(027)004【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.【总页数】7页(P95-101)【作者】黄旭东;张海;王雪松【作者单位】天津城市建设学院,土木工程系,天津,300384;天津城市建设学院,土木工程系,天津,300384;天津大学,建筑工程学院,天津,300072;天津城市建设学院,土木工程系,天津,300384【正文语种】中文【中图分类】TE53【相关文献】1.海洋立管涡激振动新型抑制装置研究 [J], 李云龙;顾继俊2.基于流固耦合作用的纤维增强复合材料海洋立管涡激振动的三维计算流体动力学模拟 [J], 葛士权; 王春光; 孙明钰; 王有镗3.轴向板条对海洋立管涡激振动抑振的数值研究 [J], 王伟; 毛昭勇; 宋保维; 田文龙; 丁文俊; 张婷颖4.海洋立管涡激振动实验设计 [J], 娄敏;钱刚5.旋转翼对海洋立管涡激振动抑振的数值研究 [J], 王伟;宋保维;毛昭勇;田文龙;张婷颖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
浅海高压立管涡激振动及疲劳特性分析工艺
浅海高压立管涡激振动及疲劳特性分析工艺
姜玉峰;徐万海
【期刊名称】《西南石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(46)3
【摘要】随着东海油气资源的不断开发,开发成本较低的自升式平台将得到广泛应用。
立管所在海洋环境复杂多变,其结构长度与直径比值较大,在海流作用下会发生涡激振动。
采用尾流振子模型对高压立管涡激振动响应进行预报,并基于DNV规范,根据S-N曲线法对结构疲劳进行计算。
模型通过有限差分法进行离散求解。
研究重点关注顶张力对立管的涡激振动及疲劳特性影响。
结果表明,顶张力会影响立管的涡激振动响应,并进一步改变结构的疲劳寿命,影响结构安全性。
【总页数】7页(P102-108)
【作者】姜玉峰;徐万海
【作者单位】中海油能源发展股份有限公司上海工程技术分公司;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TE832;TV312
【相关文献】
1.均匀流下柔性立管涡激振动响应及涡激力载荷特性研究
2.顶张式立管长期涡激振动疲劳分析
3.顶张力立管的两向涡激振动疲劳寿命时域分析
4.陡波形立管涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析
5.悬垂立管波致疲劳与流致涡激振动疲劳特性研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海洋立管多模态涡激振动分岔
研究海洋立管多模态涡激振动分岔现象，有助于深入理解立管的动态特性和振动行 为，为海洋油气开发提供理论支持和技术指导。
研究现状与问题
01
02
03
04
05
国内外学者针对海洋立 管涡激振动开展了大量 研究，提出了多种模型 和方法，但现有研究主 要集中在单模态涡激振 动上，对于多模态涡激 振动的认识尚不充分。
在风洞中模拟不同风速对立管的 影响，观察和测量立管的涡激振
动现象。
水池实验
在实验水池中模拟不同流速和管道 安装角度对立管的影响，通过测量 系统动力学响应来分析涡激振动行 为。
海洋实验
在实海环境中安装立管，通过长期 观测和测量，研究海洋环境因素对 立管涡激振动的影响。
理论分析方法
线性稳定性分析
通过对流场进行线性稳定 性分析，预测立管的涡激 振动响应和分岔现象。
03
直接数值模拟
通过求解流体动力学方程 ，模拟涡激振动现象，了 解流场结构和振动特征。
分离涡模型
将流场中的涡分为基本涡 和扰动涡，简化数值模拟 过程，用于预测立管的涡 激振动响应。
随机涡模型
将随机过程引入涡激振动 模型，模拟实际海洋环境 中的风、浪等随机激励对 立管振动的影响。
实验研究方法
风洞实验
CHAPTER 05
多模态涡激振动控制策略研 究
控制策略的设计
基于模型的控制策略
利用数学模型或物理模型，设计控制策略以抑制多模态涡激振动 。
基于数据的控制策略
利用历史数据和机器学习算法，构建预测模型以控制多模态涡激 振动。
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引言海洋立管是一种在海洋工程中常用的结构物，其长期受到海洋环境的侵蚀和作用力的影响。
其中，涡激振动是海洋立管的一个重要问题，容易引起海洋立管的疲劳破坏和结构变形，甚至导致结构崩塌。
因此，预测和分析海洋立管的涡激振动是非常必要的。
本文主要介绍海洋立管涡激振动的模型预测方法，包括流场模型、振动模型和耦合模型。
流场模型用于描述海洋环境中的流动特性，振动模型用于描述海洋立管的自然振动特性，耦合模型用于描述流场和振动场的相互作用。
一、流场模型为了预测海洋立管的涡激振动，首先需要建立流场模型，即对流体流动进行数学建模和仿真。
常用的流体力学方法包括雷诺平均法（RANS）、剪切层模型和大涡模拟（LES）。
其中，RANS方法是最常用的方法，通过求解雷诺平均动量方程和湍动能方程，模拟流体的平均运动特性。
剪切层模型则是针对流体在边界层中的特性进行建模。
而LES则是一种直接模拟涡旋尺度以上的湍动结构的方法，适用于较为复杂的流动问题。
通过这些流场模型，可以得到海洋立管附近的流场特性，为后续的振动模型提供基础数据。
二、振动模型振动模型用于描述海洋立管的固有振动特性，一般可以采用有限元方法进行建模。
有限元方法通过将结构离散为多个小单元，然后再对每个小单元进行有限元分析，求解振动特征，得到结构的模态频率和振型。
对于海洋立管的涡激振动问题，除静态荷载外，还需要考虑动态激励荷载，即流场引起的涡激力。
为了准确地预测涡激振动，通常需要在分析中考虑流场引起的激励荷载和流固耦合效应。
对于复杂的涡激振动问题，还可以采用计算流体力学方法进行振动模态的预测。
这种方法将流场模型和振动模型耦合起来，同时求解动力学方程和雷诺平均动量方程，综合考虑流固耦合效应。
通过计算流体力学方法，可以得到海洋立管在流场中的振动特性，包括振动频率、振型和应力分布等。
三、耦合模型耦合模型用于描述流场和振动场的相互作用，即流固耦合效应。
对于海洋立管的涡激振动，主要考虑涡激力对海洋立管的激励作用，以及海洋立管受到的振动响应对流场的反作用。
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
建亚海洋立管已经成为海洋发电业积极推进的一个重要方向，但是在安装、设计和运行管波的流畅度方面，仍然面临着很多挑战。
开发一种涡激振动预测模型，对管波特性的预测和防护有很大的帮助。
这个模型集成了海洋流动的规律性和涡激振动的发生机制，从而明确提出能够有效应用于海洋立管的涡激振动模型。
首先，利用CFD(计算流体动力学)技术，解决海洋立管和海洋流动之间的交互作用，为涡激振动模型提供物理数据支撑，其次，利用有限值算法，拟合海洋管道的声学谐振频率以及压力和流速的关系，以及涡激振动的发展规律，同时利用偏微分方程获得与实际实例相符的涡激振动噪声预测值，获得一个具有实体物理含意、可靠可信度高的涡激振动模型。
模型预测结果有助于正确识别和优化海洋立管阻力特性，为全面提高海洋立管装置强度评估提供了科学依据，也有助于解决预定操作区域的管波影响程度。
模型还可以为包括海洋水质调控在内的工程设计提供建议。
总的来说，海洋立管的涡激振动模型对海洋发电行业的安全运行和维护具有重要意义。
此模型的预测能够有效防范潮起潮落、海洋海水温度变化对管波的影响，确保海洋立管的及时安装和安全使用，从而保证海洋发电业的可持续发展。
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.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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:ACOMPUTATIONAL METHODS PROGRESS OF THEVORTEX INDUCED VIBRATION OF OCEAN RISERSQIN 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 investigate 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 thefuture.Key words:vo rtex induced vibration;com putational m ethods;em pirical models;CFD0 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。