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管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究

艾尚茂  
【摘要】:在管道工程中,海床的凹凸不平和冲刷容易产生悬跨,并引发泄涡频率与结构频率的锁定,产生涡激振动疲劳。悬跨设计一直是管道设计的一个挑战,除了涡激振动系统海流与悬跨运动的相互作用,管土耦合的影响也不容忽视。正确地认识和描述悬跨跨肩管土耦合作用下悬跨VIV,合理的评估悬跨涡激振动疲劳,对保证海底管道经济效应和在服役期间安全运行有着重要意义。 本文针对管土耦合边界下海底悬跨管道的涡激振动,分别采用基于弱耦合算法的CFD模型、半经验模型以及尾流振子模型,建立了管土耦合非线性作用下悬跨涡激振动预报方法,并探讨多跨多模态涡激振动疲劳损伤的评估方法。论文的主要内容和成果可以归纳为以下五个方面: (1)基于时域弱耦合算法,采用动网格技术模拟圆柱运动带来的流域边界的变化,开发出涡激振动的CFD数值程序。程序有效地实现了二维以及三维圆柱的涡激振动的数值模拟。流场求解选取有限体积法结合RANS方程与SST湍流模式离散,圆柱运动采用四阶Runge-Kutta求解,首次展开了对二维自激数值模拟的可靠性、有效性和不确定因数研究,指出了时间步长对计算结果的不确定性,以及流向自由度和高雷诺数对响应幅值的放大效应。 (2)首次应用尾流振子模型以及弱耦合算法的二维CFD数值方法,模拟了理想塑性非线性弹簧支撑刚性圆柱的涡激振动响应。两者方法的预报结果一致显示:在锁定初始阶段,当弹簧变形进入塑性阶段后,圆柱振动响应产生突变,产生较大振幅的振动;且整个锁定区域的响应幅值的峰值较线性弹簧下要低;CFD数值方法还模拟出非线性弹簧变形进入塑性区后,相位角由0突变到180附件,频率锁定在空气中的固有频率附近。 (3)利用2D刚性柱实验数据建立水动力经验模型,发展适合管土耦合边界下悬跨管道自身特点的简易预报频域程序。VIV响应频率的预报简化为在一定附加质量影响下的特征值求解问题;利用能量平衡原理,建立频域幅值迭代预报简易程序。最后在频域预报结果基础上,对管土耦合非线性作用下涡激振动应力响应进行时域分析。非线性的引入对跨肩最大应力幅值的影响十分显著,能够更现实的反应实际环境。(4)运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散,并应用Facchinetti等发展的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力,开发了一种基于尾流振子模型的悬跨管道-海床-海流多场耦合的非线性时域预报程序。在合理改进尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上,应用程序时域上预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应。研究发现在锁定范围内非线性弹簧支撑情况下的最大幅值峰值较线性时要低,但出现的峰值时的流速要小。此时,若按照线性弹簧支撑柱的响应规律进行工业设计,很可能会低估了非线性情况下低流速下的响应幅值,而高估了幅值的峰值。 (5)针对长期作业的海底多跨管道的多模态涡激振动,联合考虑遭遇海流流速变化以及涡激振动响应本身的随机性,发展了一种基于离散流速的多跨多模态VIV疲劳损伤预报方法。采用Weibull分布描述流速长期变化,并将涡激振动引起的交变应力进程看作是零均值的窄带的平稳正态随机进程。从工程应用实践出发,在深入的研究DNV规范响应模型的基础上,结合离散流速VIV疲劳损伤预报流程,实现海底多跨管道的多模态VIV疲劳损伤预报,可以直接方便的应用于实际的管道设计。分析结果显示:疲劳损伤对土壤刚度选取敏感;DNV RP-105规范中多模态响应缩减系数较振幅权重形式要保守;用Rayleigh分布描述涡激振动响应进程较用横幅稳态振动描述得到的结果,在工程应用上更安全。 总之,本文的工作涉及到圆柱体以及海洋管道涡激振动研究的诸多方面,对许多重要的概念与现象给出了独到的解释与分析。从简单线性、非线性弹簧支撑刚性柱的二维涡激振动机理,到三维悬跨管道在复杂边界条件下的涡激振动响应预报,以及悬跨管道复杂振动响应下的涡激振动疲劳损伤,这些理论模型与经验为进一步的研究以及管道悬跨设计提供了有益的参考。


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