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海洋输流立管涡激振动试验研究及数值模拟

娄敏  
【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。海洋立管内部一般有高压的油或气流过,外部承受波浪、海流作用,当波浪、海流流经立管时,在一定的流速下会产生涡旋脱落,使立管发生涡激振动,当海洋立管自振频率与旋涡脱落频率接近时,振动会迫使旋涡脱落频率固定在结构自振频率附近,发生频率锁定(lock-in)现象,引起管道振动加强。所以,在海洋立管(包括注水立管,生产立管及输出立管)的设计中,涡激振动是一个非常重要问题。 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。海洋输流立管在涡激振动和管内流体流动的共同作用下可能引起大幅度的振动,使得应力加大,易引起管道的疲劳破坏。目前,同时考虑管道内外流共同作用的涡激振动理论研究较少,试验研究尚未见有报道。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。 本文以海洋输流立管为研究对象,考虑管内流体流动及管外海洋环境的共同作用,对浅水刚性立管进行了有比尺涡激振动试验研究,对深水柔性立管进行了无比尺涡激振动试验研究;采用能量守恒原理建立了立管振动方程,并用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,编制Matlab计算程序,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明:对于浅水刚性海洋立管,由于立管较短,刚度较大,且管内流速不大,管内流体流动对立管动力特性及动力响应影响不明显;而对于深水柔性立管,随着内流流速的增加,立管自振频率,包括一阶自振频率并二阶自振频率都降低,涡激振动振幅增加,频率降低,立管不同位置处的振动相关性减弱,其振动轨迹愈加规整。


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