發(fā)布時(shí)間：2020-04-14 02:08

【摘要】：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得我國(guó)對(duì)油氣資源的需求量與日俱增,為了滿足日益劇增的油氣需求量,海洋油氣資源開發(fā)逐漸由淺海發(fā)展到深海領(lǐng)域。雖然深海油氣資源開發(fā)解決了我國(guó)目前的能源需求,但是在其開發(fā)過程中,由于海洋環(huán)境及氣候的復(fù)雜性,為深海油氣勘探與開發(fā)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。海洋立管在輸送海洋油氣資源的同時(shí),極易受到海洋內(nèi)部波流的影響,從而產(chǎn)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象,除此之外,海洋立管內(nèi)部氣液混合流動(dòng)容易產(chǎn)生嚴(yán)重段塞流,這使得立管可能表現(xiàn)出更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性。因此,研究?jī)?nèi)外流共同作用下海洋立管的渦激振動(dòng)特性具有重要的科學(xué)意義與工程價(jià)值。有鑒于此,本文全面地回顧和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于嚴(yán)重段塞流和渦激振動(dòng)的研究現(xiàn)狀,選取深海油氣開采工程中海洋立管為研究對(duì)象,基于尾流振子模型和半經(jīng)驗(yàn)時(shí)域模型,數(shù)值研究了含均勻穩(wěn)定內(nèi)流和含嚴(yán)重段塞流的立管渦激振動(dòng)響應(yīng)特性;并且針對(duì)臥底管線-鋼懸鏈線立管系統(tǒng)建立了一維瞬態(tài)分相理論模型,從而模擬了該系統(tǒng)內(nèi)嚴(yán)重段塞流的流動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律,為今后研究含嚴(yán)重段塞流的懸鏈線立管系統(tǒng)的渦激振動(dòng)特性奠定基礎(chǔ)。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下:第三章基于尾流振子模型,針對(duì)含均勻穩(wěn)定內(nèi)流的海洋立管模型,研究了不同內(nèi)流速度下立管的渦激振動(dòng)特性。運(yùn)用Galerkin方法對(duì)含內(nèi)流立管控制方程進(jìn)行離散,通過四階龍格庫(kù)塔方法求解方程,分別研究了均勻穩(wěn)定內(nèi)流速度在亞臨界和超臨界區(qū)域內(nèi)的海洋立管的一階和二階渦激振動(dòng)特性。結(jié)果表明,含均勻穩(wěn)定內(nèi)流的立管在不同的內(nèi)流速度下表現(xiàn)出更復(fù)雜的渦激振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)立管內(nèi)部流體速度處于亞臨界區(qū)域時(shí),立管在順流向上出現(xiàn)兩個(gè)共振區(qū)域,而橫向上則只有一個(gè)共振區(qū)域;并且隨著內(nèi)流速度的增大,立管順流向和橫向上共振區(qū)域不斷增大;在鎖定區(qū)域內(nèi),立管的振幅隨著內(nèi)流速度的增大而減小;在鎖定區(qū)域,立管的一階響應(yīng)主要為三維周期性和準(zhǔn)周期振動(dòng),而二階響應(yīng)則為三維準(zhǔn)周期和無規(guī)則振動(dòng)。當(dāng)立管內(nèi)部速度處于超臨界區(qū)域,在不同的一階屈曲位移值下,立管表現(xiàn)出不同的振動(dòng)特性。在不同的內(nèi)流速度下,立管在順流向和橫向上的振動(dòng)為周期性、準(zhǔn)周期性和無規(guī)則振動(dòng);在鎖定區(qū)域,立管的一階和二階響應(yīng)都為周期性、準(zhǔn)周期和無規(guī)則振動(dòng)。第四章基于半經(jīng)驗(yàn)時(shí)域模型,針對(duì)含均勻穩(wěn)定內(nèi)流的大長(zhǎng)細(xì)比海洋頂張立管,研究了其在不同內(nèi)流速度下的渦激振動(dòng)響應(yīng),主要分析了立管在不同內(nèi)流速度下的主導(dǎo)振動(dòng)模態(tài)、主導(dǎo)振動(dòng)頻率、位移均方根(RMS)以及駐波和行波響應(yīng)等渦激振動(dòng)參數(shù)。運(yùn)用有限元方法對(duì)含內(nèi)流立管控制方程進(jìn)行離散,使用newmark-?逐步積分法求解方程,并且將基于半經(jīng)驗(yàn)時(shí)域模型的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基于尾流振子模型的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,該半經(jīng)驗(yàn)時(shí)域模型能夠更好的模擬立管的渦激振動(dòng)響應(yīng);當(dāng)立管內(nèi)部均勻穩(wěn)定流速較小時(shí),立管在順流向和和橫向上的振動(dòng)主導(dǎo)模態(tài)基本不變,而隨著內(nèi)流速度的增大,立管在兩個(gè)方向上的主導(dǎo)模態(tài)不斷增大;但是研究還發(fā)現(xiàn)立管在順流向和橫向上的主導(dǎo)頻率和位移均方根對(duì)內(nèi)流速度的變化不敏感;而內(nèi)流速度的變化在一定程度上影響了立管的駐波和行波響應(yīng)。第五章基于半經(jīng)驗(yàn)時(shí)域模型和有限元方法,針對(duì)含嚴(yán)重段塞流的海洋頂張立管渦激振動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。運(yùn)用垂直立管嚴(yán)重段塞流一維瞬態(tài)分相理論求得頂張海洋立管內(nèi)部流體質(zhì)量的非穩(wěn)態(tài)變化,將非穩(wěn)態(tài)變化的質(zhì)量與立管動(dòng)力方程耦合,研究了含嚴(yán)重段塞流I型和II型的頂張立管渦激振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果表明,立管在順流向和橫向上的振動(dòng)平衡位置和振幅受到嚴(yán)重段塞流顯著的影響,特別是在外流速度較小的時(shí)候,并且立管在嚴(yán)重段塞流的影響下在兩個(gè)方向上出現(xiàn)多頻率振動(dòng)現(xiàn)象,而且大部分頻率值與其主導(dǎo)頻率相近;外部流速較小時(shí),立管出現(xiàn)了一個(gè)受嚴(yán)重段塞流流動(dòng)支配的振動(dòng)頻率;但是立管渦激振動(dòng)響應(yīng)的主導(dǎo)模態(tài)則不受嚴(yán)重段塞流的影響。第六章針對(duì)下傾管-懸鏈線立管系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象,建立包含嚴(yán)重段塞流特性參數(shù)的瞬態(tài)理論模型和管道系統(tǒng)的相分布理論模型的一維瞬態(tài)理論預(yù)測(cè)模型,從而研究了臥底管線-懸鏈線立管系統(tǒng)內(nèi)嚴(yán)重段塞流的流動(dòng)特性,并將理論模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。該模型不但可以模擬管道內(nèi)壓力、周期、氣液速度、含氣率和折算速度等嚴(yán)重段塞流特性參數(shù)瞬態(tài)變化,而且能夠預(yù)測(cè)不同氣液流速下嚴(yán)重段塞流的發(fā)生流型,并能對(duì)管道系統(tǒng)內(nèi)氣液流態(tài)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)判別,理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好,從而為今后研究含嚴(yán)重段塞流懸鏈線立管系統(tǒng)的渦激振動(dòng)特性奠定基礎(chǔ)。
【圖文】：

究背景及意義上油氣資源的開發(fā)著我國(guó)工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及人們?cè)吹男枨罅空掷m(xù)快速增加，從而導(dǎo)致陸地上石油天然氣資源不日益減少的石油資源使我國(guó)石油對(duì)外依存度也逐年增加，并且已經(jīng)線[1]。由于石油在國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中起著重要的作用，其對(duì)外依存度夠威脅我國(guó)能源安全，而且還會(huì)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響，，度上阻礙我國(guó)經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展[2]。因此，為了解決賴以生存的石油不足帶來的問題，必須尋找新的途徑來增加油氣資源的產(chǎn)量，以�？悼焖侔l(fā)展。

圖 1-2 海洋油氣開發(fā)中所面臨的挑戰(zhàn)Fig.1-2 The challenges of the gas and oil exploration in the ocean（1）管線內(nèi)流對(duì)油氣開采和輸送的影響在海洋油氣資源開采過程中，油氣集輸是其過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，并且起著相當(dāng)重要的作用，然而在油氣集輸過程中可能會(huì)出現(xiàn)安全問題[3]。為降低風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)采用通過混輸管線系統(tǒng)將海底油田中的油氣水混合物輸送到海洋平臺(tái)上的技術(shù)，該技術(shù)被稱為油氣集中輸出技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的管線系統(tǒng)，該混合輸送技術(shù)安全高效，通過減少了一根管道的建設(shè)縮短建設(shè)工期和減少經(jīng)濟(jì)成本，從而可以大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益[4,5]。然而在油氣輸送過程中，由于氣液兩相介質(zhì)間的相互作用以及復(fù)雜的海底地形的影響，在管道系統(tǒng)中極易形成危害油氣輸送管線及下游處理設(shè)備的嚴(yán)重段塞流，是我國(guó)在海洋油田開發(fā)中需要面臨的新的挑戰(zhàn)[6]。在深海油氣資源開采過程中，油氣輸送管線作為連接海底井口與海上生產(chǎn)設(shè)備的重要部件，通常由海底管線和立管共同組成。海底地形的起伏不平容易導(dǎo)致
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P756.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2626735