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海洋立管VIV智能管控技术探究

陈濛越  
【摘要】:深海油气开发中,海洋立管系统是钻采设施的关键组成部分,而涡激振动是导致其疲劳失效的主要原因。在现有研究当中,人们大多采用被动控制方法对海洋立管进行涡激振动抑制。然而当海洋立管发生涡激振动时,流场本身就蕴含有巨大的能量。如何利用这些能量并将其应用于涡激振动抑制中,目前鲜有相关技术的提出。另一方面,作为一种智能材料,压电材料的俘能及驱动功能有着广泛的应用前景。然而如何将其应用到海洋立管中,目前还处于研究空白。本文系统开展海洋立管涡激振动管控技术探究,以智能优化为手段,以智能材料为载体,为实现海洋立管智能化提供新的思路。首先,本文分别进行低雷诺数和高雷诺数下的二维圆柱涡激振动数值仿真,并对海洋立管进行疲劳分析。其次,针对低雷诺数情况,进行基于遗传算法的整流罩截面形状优化设计;针对高雷诺数情况,进行基于参数敏感性的U型整流罩优化设计。建立流固电全耦合模型,并对双晶悬臂梁式压电振子进行俘能及控制特性研究。最后,总结比较海洋立管涡激振动监测系统,并设计一种适用于海洋立管的涡激振动俘能及控制装置,达到在海洋立管涡激振动不剧烈时进行能量收集,在涡激振动剧烈时进行主动抑制的目的。研究结果表明:(1)两自由度低雷诺数情况下,数值仿真结果良好的再现了涡激振动响应的初始分支和下端分支;单自由度高雷诺数情况下,采用k-ε模型进行数值仿真,结果有效再现了涡激振动响应的初始分支、上端分支和下端分支;基于SHEAR7对海洋立管进行疲劳分析,得到了立管均方根位移曲线以及疲劳曲线。(2)整流罩优化设计中,对于两自由度的情况,流场流速在形状优化过程中发挥着更为重要的作用,而设计变量的数量对优化过程的影响较小;而对于三自由度的情况,尾鳍型整流罩相较于水滴形整流罩具有更好的稳定性;此外,不同形状的U型整流罩所适用的流速范围彼此之间存在差异。(3)关于压电振子俘能特性,随着流速增加或是压电振子长度增加,压电振子终端电压随之增大。而压电振子中压电层厚度对俘能效果影响并不明显;关于控制特性,压电层终端所加电压越高,压电振子的弯曲形变越大,且压电振子随输入电压信号的不同做相应的运动。(4)提出了海洋立管涡激振动管控技术实施流程,为海洋立管涡激振动智能管控提供新的思路,并完成初步的可行性验证。


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