【摘要】：隨著世界范圍內(nèi)海洋油氣開采走向深海,出現(xiàn)了多種形式的海洋平臺(tái)。立管系統(tǒng)是海洋平臺(tái)進(jìn)行海底油氣輸送的重要設(shè)施和關(guān)鍵部分,隨著作業(yè)水深的發(fā)展,立管長(zhǎng)度可達(dá)幾千米。深海立管受海流作用出現(xiàn)的渦激振動(dòng)問題是造成立管發(fā)生疲勞破壞的主要原因。而一旦立管破壞,除了造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,也將引發(fā)漏油事故,可能導(dǎo)致嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染和生態(tài)安全問題。由于對(duì)海流作用下立管渦激振動(dòng)認(rèn)識(shí)的不足,為了保證安全,在立管設(shè)計(jì)中只好采用非常高的安全系數(shù),但這也導(dǎo)致海洋平臺(tái)的造價(jià)巨額上升。如果能夠?qū)α⒐軠u激振動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)或者采取適當(dāng)?shù)臏u激振動(dòng)抑制措施,則可以大大降低海洋平臺(tái)的造價(jià),因此,這方面的研究也成為海洋工程領(lǐng)域近年來的熱點(diǎn)問題。 本論文工作依托于國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題“3000米水深半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”(No.2006AA09A103),旨在通過物理模型實(shí)驗(yàn)提高對(duì)海流作用下立管渦激振動(dòng)特性和機(jī)理的認(rèn)識(shí),研究和探索渦激振動(dòng)的抑制措施與方法,并基于離散渦理論建立模擬渦激振動(dòng)的CFD計(jì)算模型,發(fā)展立管渦激振動(dòng)的數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)。主要研究?jī)?nèi)容歸納如下： 1.在室內(nèi)波浪水槽中開展了小尺寸的垂向管渦激振動(dòng)物理模型實(shí)驗(yàn)。立管模型長(zhǎng)度約2m,直徑16mm,管內(nèi)部分別填充空氣、水和細(xì)沙,來改變立管模型的質(zhì)量比。將新式的光纖光柵(FBG)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于水下立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn),研究了不同質(zhì)量比的立管模型在水流作用下的渦激振動(dòng)。應(yīng)用模態(tài)分析法,計(jì)算了不同流速作用下渦激振動(dòng)的響應(yīng)模態(tài)。分別對(duì)三種不同質(zhì)量比立管模型的渦激振動(dòng)無(wú)因次振動(dòng)頻率和振幅與約化速度的關(guān)系進(jìn)行了分析。通過數(shù)據(jù)分析,給出了不同流速下響應(yīng)位移在沿立管長(zhǎng)度方向上的分布情況。 2.在立管渦激振動(dòng)抑制措施方面,提出了在立管周圍等角度間隔均勻布置多根附屬控制桿的渦激振動(dòng)抑制措施,并在室內(nèi)水槽開展了這種抑制措施的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)了四種流速和兩個(gè)極限來流方向下的渦激振動(dòng)抑制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三根附屬控制桿抑制措施可明顯降低立管的橫向振動(dòng)幅值,對(duì)主管的振動(dòng)頻率改變不大。并且,這一抑制措施對(duì)來流方向有較強(qiáng)的適應(yīng)性,避免了以往單根控制桿在流向發(fā)生改變時(shí)可能加劇立管渦激振動(dòng)的問題。 3.為了研究高階模態(tài)的立管渦激振動(dòng),在拖曳水池中開展了大長(zhǎng)細(xì)比的柔性水平管渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)。立管模型長(zhǎng)度約28m,長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到1750,雷諾數(shù)范圍在3000到10000之間。在立管模型的橫流向和順流向分別安裝了光纖光柵應(yīng)變傳感器,對(duì)兩個(gè)方向的渦激振動(dòng)都進(jìn)行了觀測(cè)。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下,橫向方向上的渦激振動(dòng)模態(tài)可達(dá)到6階,而縱向方向上的響應(yīng)可以達(dá)到12階模態(tài)。通過模態(tài)分析法,研究了單模態(tài)響應(yīng)和多模態(tài)響應(yīng)形式,并且本文實(shí)驗(yàn)證實(shí),即使在均勻流作用下,立管也會(huì)出現(xiàn)多模態(tài)響應(yīng)。而且,通過頻譜分析發(fā)現(xiàn),多模態(tài)響應(yīng)中的這些參與模態(tài)具有相同的響應(yīng)頻率。即使在均勻流作用下,渦激振動(dòng)響應(yīng)在立管方向上分布也不對(duì)稱,實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)許多這樣的結(jié)果,進(jìn)一步的分析表明,這種不對(duì)稱性主要是由多個(gè)模態(tài)共同參與渦激振動(dòng)響應(yīng)引起的。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了三倍頻、四倍頻和五倍頻等高倍諧振,并對(duì)這種高倍諧振現(xiàn)象的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。 4.建立了無(wú)網(wǎng)格的二維離散渦法時(shí)域模型,在離散渦誘導(dǎo)速度的計(jì)算中采用快速多極子方法,提高了計(jì)算效率,并對(duì)固定圓柱繞流和運(yùn)動(dòng)圓柱繞流都進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。其中,運(yùn)動(dòng)圓柱繞流問題包括兩個(gè)方面,強(qiáng)迫圓柱繞流和彈性支撐剛性圓柱在水流作用下渦激振動(dòng)。通過彈性支撐剛性圓柱的渦激振動(dòng)模擬計(jì)算,進(jìn)一步分析了渦激振動(dòng)中位移響應(yīng)振幅隨約化速度的變化關(guān)系。 5.采用“切片理論”方法,將二維離散渦法水動(dòng)力模型與立管結(jié)構(gòu)有限元模型結(jié)合,建立了計(jì)算長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)問題的“準(zhǔn)三維”離散渦法時(shí)域模型。并應(yīng)用這個(gè)時(shí)域模型,對(duì)兩個(gè)長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了模擬計(jì)算,與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近,驗(yàn)證了算法的合理性和結(jié)果的準(zhǔn)確性,表明本文建立的準(zhǔn)三維離散渦法渦激振動(dòng)時(shí)域模型可以較好地應(yīng)用于長(zhǎng)柔性立管渦激振動(dòng)問題的預(yù)報(bào)計(jì)算。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P756.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2718664