本文關(guān)鍵詞：內(nèi)波場中海洋立管動(dòng)力響應(yīng)研究

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【摘要】：我國南海海域地形復(fù)雜,水文格局多變,海水密度層化現(xiàn)象嚴(yán)重,海洋內(nèi)波活動(dòng)頻繁,關(guān)于內(nèi)波導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)物破壞的情況屢見報(bào)道;海洋立管作為海洋深水油氣開發(fā)中連接上部浮式設(shè)施與海底水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件,貫穿于整個(gè)水深中,承受海洋內(nèi)波造成的海水內(nèi)部波動(dòng),在內(nèi)波致水平剪切往復(fù)流作用下易引起大位移偏移或疲勞破壞,因而分析內(nèi)波場中立管的動(dòng)力響應(yīng)有很重要的實(shí)際意義。本文根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)基本方程推導(dǎo)了無背景流和存在背景流時(shí)海洋線性內(nèi)波控制方程,并在不同的海水密度模型基礎(chǔ)上,基于剛蓋邊界條件用TH分層迭代的數(shù)值計(jì)算方法求解了內(nèi)波頻散關(guān)系及垂向結(jié)構(gòu),最終得到內(nèi)波的水平剪切流分布情況;考慮內(nèi)波荷載,利用虛功原理,建立了頂張力立管非線性運(yùn)動(dòng)微分方程,采用有限元離散,最后在時(shí)域上采用Newmark-β隱式方法直接積分得到立管的響應(yīng),并在Matlab中編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。在此基礎(chǔ)上,分析了立管在單純內(nèi)波場與存在背景流的內(nèi)波場中的動(dòng)力響應(yīng)情況,并研究了內(nèi)流、頂張力、內(nèi)波波幅和內(nèi)波頻率等對立管動(dòng)力特性以及響應(yīng)的影響,最后引入了尾流振子模型建立立管渦激振動(dòng)方程,分析了立管在橫向上渦激振動(dòng)情況。研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)波在海水中生成水平剪切往復(fù)流并具有不同的模態(tài)結(jié)構(gòu),且對立管振動(dòng)產(chǎn)生影響的主要是前兩階模態(tài)。內(nèi)流流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致立管響應(yīng)增加而其自身自振頻率降低,但是影響較小;一定范圍內(nèi)增大頂張力能夠有效的減小立管的動(dòng)力響應(yīng)并使得立管自振頻率迅速變大,但頂張力很大時(shí)效果不明顯。線性內(nèi)波理論下,立管的響應(yīng)幅值隨內(nèi)波波幅增大而呈拋物線形式增加;內(nèi)波頻率降低時(shí),立管響應(yīng)幅值有一定的增大,在高頻范圍內(nèi)比較明顯。無論波流方向是否一致,背景流的存在都會(huì)導(dǎo)致立管出現(xiàn)大位移響應(yīng),立管相互碰撞的可能性增大;另外,內(nèi)波致水平剪切流雖然在一定程度上抑制了背景流中的渦激共振,但是它激發(fā)了立管多模態(tài)渦激共振,渦激共振頻率范圍擴(kuò)大并向高頻發(fā)展,增加了立管疲勞破壞可能性。
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P756.2;P731.2

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本文編號：1296010