海洋立管是連接海面浮式裝置和位于海床上石油井口的主要設(shè)備,用于石油、天然氣的鉆探和生產(chǎn)。特別是深海輸液立管上端受控于浮體提供的頂張力,底部與井口柔性鉸接。立管內(nèi)部有高壓的油或氣流過,外部承受波浪、海流作用,在一定的流速下會(huì)產(chǎn)生漩渦脫落,使立管發(fā)生渦激振動(dòng)。當(dāng)漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近時(shí)發(fā)生“鎖振”,振動(dòng)幅值則明顯增加,導(dǎo)致立管疲勞破壞。 渦激振動(dòng)是一種復(fù)雜的流體與固體耦合振動(dòng)現(xiàn)象,目前國內(nèi)外的研究較為廣泛,但是由于該現(xiàn)象影響因素比較多,如雷諾數(shù)、頂張力、內(nèi)流、結(jié)構(gòu)本身特性等,特別是耦合海洋環(huán)境荷載作用后,立管渦激振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)分析更加困難。本文通過試驗(yàn)的手段在大型水槽中進(jìn)行了輸液立管渦激振動(dòng)研究,并將結(jié)果與數(shù)值模擬方法進(jìn)行對(duì)比。主要研究工作如下: (1)本文建立一套利用Morlet小波的連續(xù)變換對(duì)渦激振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的方法,直觀得到渦激振動(dòng)頻率在不同外流速頻率隨時(shí)間的連續(xù)變化規(guī)律,詳細(xì)詮釋了渦激振動(dòng)的物理現(xiàn)象。通過小波閾值法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理,利用振型分解法求解立管各點(diǎn)渦激振動(dòng)位移。采用Palmgren-Miner理論,對(duì)海洋立管模型的疲勞壽命進(jìn)行分析。 (2)在大型波浪流水槽中對(duì)頂張力立管和柔性立管模型進(jìn)行了渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究。研究表明,頂張力立管存在明顯的“鎖振”區(qū)間,且在這個(gè)區(qū)間內(nèi)振動(dòng)劇烈,幅值放大;來流向振動(dòng)對(duì)渦激振動(dòng)疲勞貢獻(xiàn)不能忽略;橫向振動(dòng)與來流向振動(dòng)有非常強(qiáng)的振動(dòng)耦合,立管渦激振動(dòng)呈“8”字形運(yùn)動(dòng)軌跡。試驗(yàn)考察了頂張力變化、內(nèi)流作用、質(zhì)量比變化對(duì)頂張力立管自振頻率以及渦激振動(dòng)的影響。柔性立管模型試驗(yàn)得到了多模態(tài)共同參與的振動(dòng)現(xiàn)象,并且隨流速增加立管發(fā)生模態(tài)跳躍。 (3)針對(duì)干涉現(xiàn)象,對(duì)前后排列和并肩排列兩種布置方式的海洋立管渦激振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,立管的振動(dòng)會(huì)受到其它立管尾流的干涉影響,干涉由于間距的不同而有顯著改變,其動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)以及漩渦的脫落形式同單個(gè)立管相比均有較大的變化。 (4)利用有限布置測(cè)點(diǎn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到不同時(shí)刻立管結(jié)構(gòu)位移時(shí)程曲線。假設(shè)微小時(shí)間段內(nèi)流體作用力線性變化,采用時(shí)域的精細(xì)積分法識(shí)別水動(dòng)力荷載,得到測(cè)試各時(shí)間點(diǎn)上作用在結(jié)構(gòu)上的流體力。將得到的結(jié)果與采用尾流振子模型求解流體與結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)方程的結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了立管流固耦合振動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果。 (5)設(shè)計(jì)一種月牙擾流肋抑振裝置,布置在模型上并進(jìn)行多級(jí)外流速下渦激振動(dòng)模型試驗(yàn)。通過時(shí)頻分析得到安裝抑振裝置后模型頻率變化規(guī)律,從振動(dòng)動(dòng)力特性方面分析該裝置抑制振動(dòng)機(jī)理,并對(duì)立管的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明,月牙擾流肋抑振裝置能較好抑制渦激振動(dòng),有效提高立管的疲勞壽命。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：P756.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 選題背景、目的和研究意義
        1.1.1 選題背景
        1.1.2 研究目的和研究意義
    1.2 渦激振動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)和基本特征
        1.2.1 海洋立管渦激振動(dòng)機(jī)理
        1.2.2 描述渦激振動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)
        1.2.3 渦激振動(dòng)的基本特征
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 試驗(yàn)研究
        1.3.2 數(shù)值模擬
        1.3.3 抑振方法研究
    1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)
        1.4.1 本文主要研究?jī)?nèi)容
        1.4.2 本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
2 振動(dòng)信號(hào)分析與立管響應(yīng)重建
    2.1 信號(hào)處理方法
        2.1.1 傅立葉變換
        2.1.2 小波變換
        2.1.3 基于小波變換的時(shí)間-頻率分析
    2.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)重建方法
        2.2.1 有限測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)構(gòu)立管各點(diǎn)位移
        2.2.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)重建算例
        2.2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)重建過程中的關(guān)鍵問題
    2.3 信號(hào)去噪方法
        2.3.1 小波去噪方法
        2.3.2 閾值法小波去噪應(yīng)用
    2.4 立管疲勞壽命計(jì)算
        2.4.1 雨流計(jì)數(shù)法
        2.4.2 S-N 曲線
        2.4.3 疲勞計(jì)算算例
    2.5 誤差分析
3 渦激振動(dòng)試驗(yàn)方法
    3.1 試驗(yàn)?zāi)康?br>        3.1.1 渦激振動(dòng)規(guī)律研究方法
        3.1.2 立管干涉研究方法
    3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)
        3.2.1 相似準(zhǔn)則
        3.2.2 立管模型設(shè)計(jì)
        3.2.3 考慮頂張力、內(nèi)流的立管試驗(yàn)設(shè)計(jì)
        3.2.4 柔性立管模型
        3.2.5 不同質(zhì)量比模型設(shè)計(jì)
    3.3 試驗(yàn)支架設(shè)計(jì)
    3.4 試驗(yàn)設(shè)備
        3.4.1 實(shí)驗(yàn)水槽
        3.4.2 頂張力施加與兩端固定方式
        3.4.3 光纖光柵應(yīng)變計(jì)與采集系統(tǒng)
        3.4.4 電阻應(yīng)變計(jì)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DASP-ET
        3.4.5 多普勒流速測(cè)量?jī)x
4 立管振動(dòng)數(shù)據(jù)分析
    4.1 頂張力立管渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究
        4.1.1 立管動(dòng)力特性分析
        4.1.2 渦激振動(dòng)規(guī)律分析
        4.1.3 漸變外流作用下立管振動(dòng)規(guī)律
        4.1.4 頂張力對(duì)渦激振動(dòng)影響
        4.1.5 輸流立管中內(nèi)流作用
    4.2 柔性立管渦激振動(dòng)規(guī)律
        4.2.1 立管動(dòng)力特性分析
        4.2.2 柔性立管渦激振動(dòng)規(guī)律
        4.2.3 頂張力對(duì)柔性立管動(dòng)力特性以及振動(dòng)響應(yīng)影響
        4.2.4 來流向與橫向振動(dòng)耦合
    4.3 不同質(zhì)量比的立管模型渦激振動(dòng)
        4.3.1 不同質(zhì)量比動(dòng)力特性分析
        4.3.2 不同質(zhì)量比振動(dòng)幅值分析
        4.3.3 不同質(zhì)量比模型疲勞分析
    4.4 立管干涉試驗(yàn)研究
        4.4.1 兩立管前后排列干涉研究
        4.4.2 兩立管并肩干涉研究
5 流體力識(shí)別與渦激振動(dòng)預(yù)報(bào)方法實(shí)現(xiàn)
    5.1 精細(xì)積分方法
    5.2 流體力識(shí)別方法
    5.3 基于尾流陣子方程的數(shù)值預(yù)報(bào)方法
    5.4 試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比
6 抑振裝置與抑振方法試驗(yàn)研究
    6.1 抑振裝置設(shè)計(jì)
    6.2 月牙擾流肋試驗(yàn)
        6.2.1 擾流肋布置方案設(shè)計(jì)
        6.2.2 抑振效果
        6.2.3 抑振后渦激振動(dòng)動(dòng)力特性分析
        6.2.4 疲勞壽命計(jì)算
    6.3 螺旋導(dǎo)板試驗(yàn)
        6.3.1 螺旋導(dǎo)板方案設(shè)計(jì)
        6.3.2 抑振效果分析
        6.3.3 螺旋導(dǎo)板覆蓋率研究
    6.4 導(dǎo)流板尾翼試驗(yàn)
        6.4.1 導(dǎo)流板方案設(shè)計(jì)
        6.4.2 抑振效果分析
7 研究結(jié)論與展望
    7.1 本文結(jié)論
    7.2 進(jìn)一步研究的建議
參考文獻(xiàn)
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷
發(fā)表的學(xué)術(shù)論文以及學(xué)術(shù)成果

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李瑩;楊新華;郭海燕;李朋;;海洋立管試驗(yàn)支座設(shè)計(jì)及其對(duì)渦激振動(dòng)影響研究[J];海洋工程;2013年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 李朋;深水海洋輸流立管渦激振動(dòng)及干涉試驗(yàn)研究[D];中國海洋大學(xué);2012年

2 趙婧;海洋立管渦致耦合振動(dòng)CFD數(shù)值模擬研究[D];中國海洋大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2882157