深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法.pdfVIP

振　动　与　冲　击 第３２卷第１５期 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫ Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１５２０１３　  深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法 曲　雪，薛鸿祥，唐文勇 （上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海　２００２４０） 　　摘　要：针对深海顶端张紧式立管，基于刚性圆柱体顺流方向受迫振荡实验的水动力信息，采用有限元方法和能 量平衡原理，建立了立管顺流涡激振动幅值响应的分析模型。该模型计及了立管横流方向涡激振动对顺流升力放大效 应，根据激发力来源不同，分无量纲频率响应区间计算幅值并进行加权模态叠加。预报结果与Ｃｈａｐｌｉｎ阶梯状来流涡激振 动实验测量数据对比，吻合程度较好。 关键词：顶端张紧式立管；顺流；涡激振动；振幅响应 中图分类号：Ｐ７３１．２　　　文献标识码：Ａ ＩｎｌｉｎｅＶＩＶａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｅｅｐｗａｔｅｒｔｏｐｔｅｎｓｉｏｎｅｄｒｉｓｅｒ ＱＵＸｕｅ，ＸＵＥＨｏｎｇｘｉａｎｇ，ＴＡＮＧＷｅｎｙｏｎｇ （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） 　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ＡｎｉｎｌｉｎｅＶＩＶａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｔｏｐｔｅｎｓｉｏｎｅｄｒｉｓｅｒｗａｓｃｒｅａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄ ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｂｙｕｓｉｎｇｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｆｏｒｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｒｏｓｓｆｌｏｗｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｕｒｃｅｓｏｆｉｎｌｉｎｅｌｉｆｔｆｏｒｃｅ，ｒｅｓｐｏｎｓｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｔｅｒｖａｌａｎｄｔｈｅｎｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆ Ｃｈａｐｌｉｎ，ｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔｇｉｖｅｓｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｏｐｔｅｎｓｉｏｎｅｄｒｉｓｅｒ；ｉｎｌｉｎｅ；ｖｏｒｔｅｘｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ（ＶＩＶ）；ｒｅｓｐｏｎｓｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ 　　随着油气开采向海洋进军，立管作为必不可少的 频率通常是横流的２～３倍，更易加速疲劳损伤。尤其 设备，广泛地应用于海洋油气资源开发中。海流经过 对于尺度达数千米的细长深海立管，其固有频率较低， 立管时，在一定的流速下会产生脱落涡，当泻涡频率与 更易激发高阶多模态的顺流涡激振动。因此，建立合 立管固有频率接近时，振动强烈，发生频率锁定现象。 理而可行的顺流涡激振动响应预报模型是十分必 涡激振动会引起立管振动幅值的明显增加，导致结构 要的。 的疲劳破坏，可能会影响工程进展，造成环境灾害。 目前，有关顺流涡激振动的研究大多采用实验或 立管在来流作用下，同时发生横流和顺流两个方 ＣＦＤ方法，而针对适用于工程应用的顺流涡激振动响 向的涡激振动。实验观测表明，横流方向的涡激振动 应频域预报的研究工作鲜有报道。英国石油在墨西哥 响应幅值一般大于顺流。现有的研究工作大部分仅针 ［４］ 湾对实尺度钻井立管进行了涡激振动数据采集 ； 对横向振动的情况，而忽略顺流涡激振动的影响