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悬垂立管涡激振动响应特性研究

吴天昊  
【摘要】:悬垂立管由于其经济效益被广泛应用于海洋能源的开采中。悬垂立管在顶端平台运动和管内流动联合共同作用下,会形成面内全局响应,并和背景洋流形成强烈的相对振荡来流。这种样的振荡流场很可能会使得横流向发生涡激振动。为了研究悬垂立管在平台运动和内流联合作用下悬垂立管涡激振动响应特性,本文开展了悬垂抽水立管模型试验,应用光纤光栅应变片在测量立管在横流向和顺流向的应变数据。并应用模态分析法、小波分析法等分析方法对于试验数据进行处理和研究。同时通过试验和数值模拟结合的方式,分析了顺流向应变,流速,KC数,泻涡频率等分布规律。着重研究内流流速作用对于悬垂立管涡激振动响应特性的影响。结果表明:大管径悬垂立管在振荡流场和内流共同作用下,可以产生涡激振动,本试验内流速度区间下,内流作用对于悬垂立管固有频率,KC数和泻涡频率幅值分布,以及涡激振动影响不大。同种平台运动下,悬垂立管涡激振动响应结果不同,证明了顶部平台运动诱发的涡激振动具有不稳定性的事实。同时,分析平台运动下大尺度悬垂立管疲劳损伤特性,发现平台运动引发的悬垂立管涡激振动疲劳损伤和KC数有关。各点面内疲劳损伤值延管长分布趋势和面内应变RMS延管长分布趋势相似,呈现“波浪状”分布。着重研究面内全局响应以及面外涡激振动对于悬垂立管的疲劳损伤贡献,发现横流向向的疲劳损伤的数量级为顺流向的10-2倍左右。本文通过悬垂立管涡激振动响应特性的研究提升了对于管内流动和平台运动联合作用下,悬垂立管涡激振动的响应特性的认识,为未来的预报提供数据支持。


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