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非线性附加质量和流体阻尼对涡激振动的耦合影响研究

雍倩文  
【摘要】:海洋立管系统是海洋石油钻采装备中的重要组成部分,海底的油藏经采油树、防喷器、海洋立管等装置传输到FLNG或者穿梭游轮,立管还可以用于前期开采,作为钻井工具使用。海流经过立管时会在立管的两侧产生涡脱现象,从而使立管受到波动的力而发生振动,把这种现象称为涡激振动。涡激振动会造成立管的疲劳破坏,因而准确的预测涡激振动的预报模型能够对立管服役寿命的评估提供一定的工程参考价值。调研了国内外对涡激振动时域与频域内的研究方法,并且了解到国内外学者研究涡激振动时将附加质量系数与流体阻尼取为定值,针对涡激振动参数的准确取值问题展开了尾流阵子模型法推导与实验研究。理论推导出平均顶张力与约化速度的关系,并与经典实验数据对比分析。通过GITT(广义积分变换法)来解耦立管的振动方程与尾流振子方程,将实验研究获得的非线性附加质量和流体阻尼的变化趋势带入解耦后的方程,分析其对参数激励下立管模型涡激振动的影响。实验研究中在波流水槽中搭建海洋立管缩比模型,选用有效长度为1.2m,长细比为1000的PVC管材制作立管模型,两端铰连接。在立管模型表面的横流向(CF)与顺流向(IL)均匀粘贴两条光纤光栅传感器串,采用高精度波纹管称重传感器测量流体力,采用S型拉力传感器配合弹簧测量顶张力。采集的振动信号在MATLAB中经契比雪夫滤波,模态分析法,积分法等一系列处理,得出实验相关参数。通过水槽实验研究了约化速度、立管顶部张紧力、立管质量比分别对附加质量系数与流体阻尼的影响,分析涡激振动的振幅比、频率比、模态等特征参数来确定这两个参数对涡激振动的影响。实验证明附加质量系数和流体阻尼均为非线性参量;附加质量系数除了与约化速度有关,还和质量比、顶张力有关,顶张力会影响附加质量曲线的零点。流体阻尼与约化速度、振幅比有关,与质量比、顶张力的关系不明显。在有限元软件ANSYS中的CFX流体模块模拟圆柱绕流,针对不同流速、不同质量比、雷诺数,得出了涡街释放云图与立管升力系数曲线,计算数值模拟下的立管的附加质量与流体阻尼关系曲线,与理论研究进行对比研究。


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