立管是海洋工程中連接海底和上部平臺(tái)的重要設(shè)備。通過(guò)立管,可以將石油、天然氣等資源從海底輸送至海面的平臺(tái)。立管通常都是細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu),并且始終受到海洋環(huán)境荷載的作用。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)立管結(jié)構(gòu)物時(shí),會(huì)產(chǎn)生周期性的旋渦脫落和流動(dòng)作用力,引起立管在橫流向和順流向發(fā)生振動(dòng)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為“渦激振動(dòng)”。當(dāng)立管結(jié)構(gòu)的固有頻率和渦脫落頻率相接近時(shí),會(huì)導(dǎo)致橫流向及順流向發(fā)生較大振幅的振動(dòng)。該現(xiàn)象被稱(chēng)之為“鎖定”。渦激振動(dòng)是導(dǎo)致海洋立管發(fā)生疲勞破壞的重要因素。因此,隨著海洋油氣資源的勘探和生產(chǎn)不斷向深海發(fā)展,具有明顯柔性特征的大長(zhǎng)細(xì)比深水立管的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注。 為了研究渦激振動(dòng)的物理機(jī)制,首先針對(duì)低雷諾數(shù)下圓柱受迫振動(dòng)問(wèn)題,在任意拉格朗日-歐拉參考系下建立了基于Navier-Stokes方程的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。研究了圓柱在不同振幅和頻率下的受力問(wèn)題。其中,圓柱振動(dòng)的無(wú)量綱振幅為0.2-0.6,頻率比(圓柱振動(dòng)頻率與固定圓柱渦脫落頻率的比值)為0.4-1.6。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以看出,當(dāng)圓柱的振幅為0.6 D時(shí),圓柱后方的尾渦脫落形式為2P,而當(dāng)圓柱以相對(duì)較小的振幅振動(dòng)時(shí),圓柱后方的尾渦脫落以2S為主。同時(shí),根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果給出了與加速度同相位的流體力和與速度同相位的流體力同約化速度之間的關(guān)系。 在上述圓柱受迫振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立了圓柱自激振動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)模型。此時(shí),允許圓柱在橫流向及縱流向發(fā)生自由振動(dòng)。對(duì)于質(zhì)量比(m*=10)情況,數(shù)值模型正確模擬了橫流向位移的初始分支、上分支及下分支,以及各分支與渦流場(chǎng)模式之間的依賴(lài)關(guān)系。利用模型,進(jìn)一步研究了質(zhì)量比和阻尼比對(duì)圓柱自激振動(dòng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：低質(zhì)量比情況下,自激振動(dòng)發(fā)生鎖定所對(duì)應(yīng)的約化速度帶寬明顯增大,但阻尼比的變化不會(huì)引起振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生本質(zhì)上的改變。 雖然計(jì)算流體力學(xué)模型在認(rèn)識(shí)渦激振動(dòng)物理機(jī)制方面有重要作用,但是由于計(jì)算量巨大,目前還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。為此,在SHEAR7模型的理論基礎(chǔ)上,建立了可用于深水大長(zhǎng)細(xì)比立管渦激振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)及疲勞損傷預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的分析程序,通過(guò)與SHEAR7結(jié)果的比較,驗(yàn)證了該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴?為了研究細(xì)長(zhǎng)柔性立管在高模態(tài)下的渦激振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題,并為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁?yàn)證的數(shù)據(jù),開(kāi)展了室內(nèi)水池拖曳實(shí)驗(yàn),研究均勻流下大長(zhǎng)細(xì)比立管模型的渦激振動(dòng)特性,其中立管模型的長(zhǎng)度為28.04 m,直徑為1.6 cm,長(zhǎng)細(xì)比為1750。通過(guò)光纖光柵傳感器測(cè)量立管模型在橫流向和順流向的應(yīng)變,進(jìn)而通過(guò)模態(tài)分解的方法,獲得振動(dòng)響應(yīng)位移。文中研究了位移的頻譜特征及位移標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),順流向?qū)α⒐芷诘呢暙I(xiàn)基本和橫流向是相等的,而在以往的研究工作中,人們往往只關(guān)注了橫流向振動(dòng)的作用。 當(dāng)前廣泛使用的渦激振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鏢HEAR7和VIVANA等,其水動(dòng)力系數(shù)主要來(lái)源于受迫振動(dòng)圓柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,難以充分考慮大長(zhǎng)細(xì)比立管的高模態(tài)及多模型共同作用的現(xiàn)象。本文以渦激振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)位移作為輸入的數(shù)據(jù),結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)分析,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了立管模型所受到的流體力沿立管管長(zhǎng)的分布。然后,將流體力分解為與速度同相位的項(xiàng)(流體激振力系數(shù))和與加速度同相位的項(xiàng)(附加質(zhì)量系數(shù))。最終獲得了大長(zhǎng)細(xì)比立管模型發(fā)生渦激振動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)。給出了單模態(tài)和多模態(tài)響應(yīng)下的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)并計(jì)算了高頻響應(yīng)下對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)。 應(yīng)用本文建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?分析了立管頂部張力、水流速度的空間分布、立管的外徑、內(nèi)徑及壁厚對(duì)渦激振動(dòng)的影響。對(duì)于工作水深超過(guò)1000 m配備浮力塊的隔水管渦激振動(dòng)問(wèn)題,文中利用所建立的數(shù)值模型,研究了不同的浮力塊配置方案對(duì)渦激振動(dòng)的影響。數(shù)值表明：不合理的浮力塊配置方案會(huì)給鉆井隔水管帶來(lái)嚴(yán)重的疲勞損傷。當(dāng)采用連續(xù)鋪設(shè)浮力塊的方案時(shí),可以選擇40%-60%覆蓋的方案；當(dāng)采用浮力塊和裸管交替布置的方案時(shí),裸管和浮力塊的空間比值可以選為1：2。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類(lèi)】：P756.2
【部分圖文】：

I愉著日益枯竭的境地。因此，世界各國(guó)均將注意力轉(zhuǎn)向了石油資源相對(duì)豐富的深海中去。s呷kayall]指出，在過(guò)去的幾十年中，人類(lèi)開(kāi)發(fā)海洋石油資源的水深按照h二(l/540)護(hù)氣其中h代表水深，N代表年份)的規(guī)律在遞增。圖1.1給出了人類(lèi)勘探和開(kāi)發(fā)海洋石油資源的水深隨著時(shí)間的變化。i枷硒州血六叼舊曲.時(shí)腳如加幽鉀.頤出峨靦而!l呻壓戶(hù)咧州柳i.........曰......口..口..曰...........目.........曰..口....曰.......曰...曰曰....曰...口....日............目.....................口.目口......口.目目.曰....口..口...自..~目目口......口側(cè).暇.口....曰.口.口.....轟暇襲以:理孫，_.:.、二禮沙_!一一下擺::笠{弋艾二儷啟(恕l藝石病、，{}_二1~榷娜娜鐘娜粉~~嚴(yán)“”飛丫U”婦，‘‘盛‘泊吶J砂分魷產(chǎn)”‘識(shí)卜州脾柳知.臼勻眨解\、\灘g招食烈鉀到門(mén)、多決班班敘湘﹃?duì)N翔伽物，廠(chǎng)‘二月口之、芝職咨七冷知絲鎮(zhèn).閱日舊味呢繆護(hù)一尸‘三卜::〔途;:5!.‘i一!，盼，娜1咖..，臺(tái).曳卿翻如曰踐以加鈴幽.曰.白‘盛冬砂川自田幸位孺‘、‘:鉀蝴臉娜.奈‘，映.印韶魏角粉腸合

大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文臺(tái)等。圖1.2給出了適用于不同水深的典型的平臺(tái)形式。圖1.2不同水深條件下典型的平臺(tái)形式Fig·l· 2Represeniativeplatformatdiffereniwat拼 rdepth在深海條件下，無(wú)論采用何種浮式結(jié)構(gòu)進(jìn)行石油資源的勘探和開(kāi)發(fā)，鉆井隔水管/生產(chǎn)立管(為表述方便，下文中統(tǒng)一采用立管)都是構(gòu)成整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。立管是連接頂部平臺(tái)及海底井口的重要裝備，利用該設(shè)備可以完成鉆探、輸出石油等工作。對(duì)于深海立管系統(tǒng)而言，它所承受的海洋環(huán)境荷載主要來(lái)自于水流的作用。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)立管結(jié)構(gòu)物時(shí)，會(huì)在立管兩側(cè)產(chǎn)生交替的旋渦脫落，進(jìn)而使作用在立管上的升力及流向的拖曳力表現(xiàn)出明顯的周期性變化特征。這種周期性變化的作用力會(huì)引發(fā)立管結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。與此同時(shí)，立管結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)反過(guò)來(lái)影響立管后方的旋渦脫落，這種流體與結(jié)構(gòu)物相互作用的現(xiàn)象被稱(chēng)之為渦激振動(dòng)(喃rtex一 inducedvibration，簡(jiǎn)稱(chēng)vlv)

在流體力學(xué)研究中長(zhǎng)期存在著兩條基本途徑，即從經(jīng)驗(yàn)角度研究有粘性的實(shí)際流體和從理論角度研究無(wú)粘性理想流體。圖1.3給出了流體繞圓柱流動(dòng)時(shí)邊界層分離示意圖。從圖中可以看出，邊界層由A點(diǎn)(稱(chēng)駐點(diǎn))開(kāi)始形成，沿流動(dòng)方向不斷增厚;在圓柱體的前半部，通道逐漸縮小，根據(jù)伯努利方程，速度u增大時(shí)其對(duì)應(yīng)的壓力p減小，邊界層中的流體在順壓作用下向前流動(dòng);在柱體后半部，從B點(diǎn)開(kāi)始，流體流經(jīng)的通道逐漸擴(kuò)大，流體速度降低，壓力增加
【參考文獻(xiàn)】

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1 馬馳,董艷秋,楊麗婷;海洋平臺(tái)張力腿在兩種邊界條件下的渦激非線(xiàn)性振動(dòng)的比較研究[J];船舶力學(xué);2000年01期

2 郭海燕 ,王樹(shù)青 ,吳紀(jì)寧 ,劉德輔;Dynamic Characteristics of Marine Risers Conveying Fluid[J];China Ocean Engineering;2000年02期

3 郭海燕,王元斌,傅強(qiáng);The Effect of Internal Fluid on the Response of Vortex-Induced Vibration of Marine Risers[J];China Ocean Engineering;2004年01期

4 宋吉寧;呂林;張建僑;吳浩;唐國(guó)強(qiáng);李廣偉;滕斌;趙瑞華;;三根附屬控制桿對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)抑制作用實(shí)驗(yàn)研究[J];海洋工程;2009年03期

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6 唐國(guó)強(qiáng);呂林;滕斌;謝彬;宋吉寧;張建僑;吳浩;;大長(zhǎng)細(xì)比柔性桿件渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)[J];海洋工程;2011年01期

7 王建軍,陸明萬(wàn),張雄,李其漢,朱梓根;自由液面流體大晃動(dòng)有限元方法[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);2001年03期

8 董艷秋;波、流聯(lián)合作用下海洋平臺(tái)張力腿的渦激非線(xiàn)性振動(dòng)[J];海洋學(xué)報(bào)(中文版);1994年03期

9 王東耀，凌國(guó)燦;在平臺(tái)振蕩條件下TLP張力腿的渦激非線(xiàn)性響應(yīng)[J];海洋學(xué)報(bào)(中文版);1998年03期

10 陳濤;張嵩;;用于橋梁健康監(jiān)測(cè)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)[J];武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào);2009年15期

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本文編號(hào)：2835645