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基于仿生学的羽翼形隔水管涡激振动抑制装置的实验研究

陈雁玲  
【摘要】:隔水管是海洋钻探和生产中不可或缺的重要元件,其在海水中既要承受自重和顶张力,同时还要承受外部海洋环境载荷、内部钻柱及钻井液等钻井工况的耦合作用。当海流流经隔水管时,流体会在隔水管外壁的边界层发生分离,并在隔水管后方产生低压和漩涡,而由漩涡脱落引起的隔水管周期性振动则被称为涡激振动。当漩涡脱落的频率接近隔水管固有频率时,会发生“锁定”现象,“锁定”现象一旦发生,结构的变形程度、应力、弯矩及疲劳损伤也会大幅增加,会对结构造成巨大影响。目前,国内外诸多学者对深水钻井隔水管涡激振动漩涡脱落机理以及减少和预防涡激振动现象发生等课题进行了深入研究,并取得了一定成果。本课题在前人的研究基础上,基于涡激振动抑制装置的抑制作用,从涡激振动漩涡脱落机理出发,针对现有涡激振动抑制装置的抑制规律进行分析研究,基于仿生学原理,设计了一种羽翼形隔水管涡激振动抑制装置,并在羽翼形隔水管涡激振动抑制模拟实验装置中结合粒子图像测速(PIV)技术对其进行了相关实验研究。实验研究了隔水管管柱模型及装有抑制装置的管柱模型的流场分布状态,验证了羽翼形隔水管涡激振动抑制装置具有抑制作用。实验研究了装有羽翼形飘带的抑制装置的管柱模型与装有普通飘带的抑制装置的管柱模型周围流场状态,验证了装有羽翼形飘带的涡激振动抑制装置具有更优的抑制效果。实验研究了羽翼形隔水管涡激振动抑制装置的主要结构影响参数(羽翼形飘带的长度L、羽翼弧形、羽翼弧数)的抑制效果。研究表明:羽翼形飘带的长度L及羽翼弧形对此涡激振动抑制装置的抑制效果有影响,其圆弧形羽翼抑制效果更佳;而羽翼弧数对此涡激振动抑制装置抑制效果的影响较小。


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