分隔板、控制杆及减振器对串联立管涡激振动抑制的试验分析

针对分隔板、控制杆和减振器3种抑振装置对串联立管涡激振动的抑制效果问题,在波流水槽中进行不同间距下串联立管的裸管试验以及抑振管涡激振动试验。试验结果表明,在同一流速条件下,附加抑振装置后立管的振动振幅与裸管相比明显降低,所采用的3种抑振装置可不同程度抑制海洋立管的涡激振动。对于横向振动最优抑制效果来说,控制杆的最优抑制效果最好;对于顺流向振动最优抑制效果来说,分隔板在上游立管中的最优抑制效果最好,控制杆在下游立管中的最优抑制效果最佳。综合比较各间距与振动方向的最优抑制效果,控制杆能够对串联立管横向与顺流向的振动起到不错的抑制效果。     

三控制杆对串联立管涡激振动抑制的试验分析

分别对串联裸管和带三控制杆串联立管进行室内水槽试验,使用DHDAS软件采集立管横向振幅和频率数据,分析不同立管间距对三控制杆涡激振动抑制效果的影响。结果表明,下游立管横向振动较上游立管弱;对于上游立管,随着间距的增大,控制杆的抑制效果逐渐平缓降低,下游立管则先增大后减小;串联立管间距为5~6倍管径时三控制杆抑制效果最佳。     

顶张力立管涡激振动抑振装置性能比较

为降低甚至消除漩涡脱落引起的顶张力立管振动响应从而提高其疲劳寿命,设计了五种型式的涡激振动抑振装置,并在中国海洋大学物理海洋实验室对装有抑振装置的模型立管进行了实验研究.得到了模型立管在几种不同流速下顺流向和横向涡激振动应变时程曲线,同时为了对比分析也测量了没有安装抑振装置的裸管的响应曲线.对比分析了三种外流流速下抑振装置对立管涡激振动响应的影响,结果表明各种抑振装置对立管顺流向和横向涡激振动幅值和频率都有不同程度的降低,但其影响和有效性各不相同.     

狗骨头扰流装置对海洋立管涡激振动抑制的数值模拟研究

按照流体力学基本理论,将抑制风振的狗骨头型装置引进到抑制海洋立管的涡激振动上,并采用ANSYSCFX三维流固耦合方法对该装置的抑制效果进行检验。数值模拟检验结果表明：该抑振装置不仅有效降低了横向涡激振动响应,而且也抑制了纵向激励。     

减振器绕流流场的CFD分析

深水钻采作业过程中使用的各种立管，在海流作用下容易发生涡激振动，引起结构破坏。减振器作为抑制涡激的装置，在现场取得了较好的效果。针对不同尾角结构的减振器，通过流体动力学（CFD）方法，求解NS方程，得到减振器绕流流场的分布，以及横向力、曳力系数的变化规律，通过分析减振器涡激抑制的机理，提出尾角结构的最佳尺寸；针对各种不同方向的来流，计算了减振器的横向力、曳力系数，得到了来流方向对立管涡激振动的影响。结果表明，来流方向与减振器尾角对称轴线方向保持一定的角度时，减振器的效果更佳。     

轴向板条对海洋立管涡激振动抑振的数值研究

涡激振动是一种在海洋工程领域普遍存在的流固耦合物理现象,易导致海洋立管等结构物发生疲劳损伤或失稳。本文为抑制涡激振动而提出一种附加轴向板条的方案,采用非定常流体数值计算方法求解分析不同分布形式下的轴向板条对海洋立管涡激振动特性的影响。首先定义轴向板条的分布形式;采用Newmark-β法求解立管双自由度振动方程并编写UDF,计算采用k-ω/SST湍流模型,并结合动网格技术模拟立管的振动过程。研究结果表明,轴向板条对海洋立管具有较好的抑振效果;当轴向板条数目n=20时,流向振动幅度减小78.57%,横向振动幅度减小58.10%。本文研究结果可为海洋结构物涡激振动的抑振提供参考。     

控制杆对柔性圆柱涡激振动的抑制效果研究

涡激振动会造成海洋柔性柱状构件疲劳损伤,合理的抑制装置能够有效延长结构的使用寿命。控制杆是常见的涡激振动抑制装置,高雷诺数条件下,多根控制杆的排布方式对涡激振动抑制效果的影响有待进一步研究。文中通过设计室内模型实验,观测了高雷诺数条件下控制杆对柔性圆柱涡激振动抑制效果。圆柱模型的长径比为350,质量比为1.9,最高雷诺数可达16 000。研究结果表明:控制杆对柔性圆柱的涡激振动抑制效果显著,四根控制杆的抑制效果优于三根控制杆。     

串列双立管螺旋列板抑制涡激振动的数值模拟

在波浪和洋流的作用下,深水立管两侧会出现周期性的漩涡脱落,这一现象极易引发涡激振动,使得立管出现疲劳损伤,显著降低其服役寿命。同时,当立管间距较近时,还会产生流场干涉效应。为研究立管之间的相互干涉作用及螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果,本文采用大涡模拟(LES)的方法,对Re=3 900均匀来流下的串列双立管的涡激振动响应进行三维数值分析。并针对不同的立管间距(3D,5D,8D,D为立管直径)以及附加螺旋列板的情况,建模分析了立管的水动力系数,并进一步探究了螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果。研究结果表明:对于串列双立管情况,下游立管受到上游立管尾涡和自身漩涡脱落的影响,升力系数幅值较单立管时更大。在3种立管间距工况中,立管间距为3D时下游立管升力系数最大,8D时升阻力系数接近单立管情况。附加螺旋列板能有效抑制双立管涡激振动,双立管升力系数明显减小,从而减少了立管的振幅响应。附加螺旋列板双立管之间的相互作用与光滑双立管之间的相互作用总体趋势相似。并且由于列板的分流作用,彻底破坏了立管的脱涡方式,在立管后形成了间距很小,近乎平行的尾涡。     

剪切来流下柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

文章针对柔性立管螺旋列板抑制装置在剪切流场中的涡激振动响应特性进行了试验研究,试验过程中通过旋转臂架从而形成相对剪切来流。通过测试得到的应变数据,基于模态叠加法,可得到立管的位移响应等参数。试验中针对螺旋列板的螺距和鳍高的变化进行了分析,系统地研究了不同螺旋列板状态下立管的主导频率、主导模态、无量纲振幅比以及疲劳损伤等参数。研究结果表明：螺旋列板可以很好地抑制立管的涡激振动响应;与螺距相比,鳍高对立管涡激振动响应会带来更大的影响;剪切流场中立管螺距恒定为5.0D（D为立管外径）时,鳍高为0.15D时的立管具有最好的抑制效果。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明:与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出:横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明：与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出：横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

两自由度不同截面形式柱体涡激振动的CFD数值模拟

文章采用计算流体力学（CFD）方法,结合SST k-棕湍流模型,对低质量比柱体进行两自由度涡激振动数值模拟,得到了柱体升力、曳力系数的时程曲线,并观察了柱体进入锁振状态的幅值变化,研究了不同截面形式柱体在外流速处于0.1-1.0 m/s范围内的振动响应。将圆柱体在不同流速下两向振动的CFD数值模拟与实验数据进行比较,得到了较为满意的结果。通过分析不同截面柱体在不同外流速下的振动幅值发现,带有抑振装置的柱体截面形式能够有效地减小涡激振动,其中,板状截面柱体抑振效果较好。     

附属分离盘抑制圆柱涡激振动的数值模拟

基于动网格技术，编写UDF程序计算附属不同长度分离盘的圆柱双自由度涡激振动，并借助FLUENT软件模拟计算其周围流场。通过模拟计算不同长度附属分离盘的圆柱涡激振动，系统地对比分析其所受升阻力系数、振动响应、尾流涡形态、运动轨迹和频率特征等方面内容，并总结其一般规律。分析发现，添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率，有助于避开“锁定”区域，降低涡激振动的响应，同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。该数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定了基础。降低，当约化速度Ur=5.5附近，分离盘长度越长，升阻力系数与振动响应越小。（2）添加附属分离盘后，裸圆柱所对应的双排尾流涡将变为单排尾流涡；随着分离盘长度增大，涡泄的位置往后推移，与此同时，分离盘的两侧逐渐出现一组次漩涡（分离盘上产生的漩涡）；分离盘长度L=0.5D时，因其未能完全阻隔上下两侧漩涡的相互作用，并将一侧漩涡切分为二，与另一侧漩涡在尾流形成2P形态的涡。（3）附属分离盘长度的增加使得圆柱振动范围不断缩小，但会造成多频的振动特征，而且还有效地改变来流向响应与横向响应的相位角。（4）添加附属分离盘后，一方面圆柱阻力的主频率明显降低，而且主频率所对应的功率谱密度也明显降低，说明分离盘能降低来流向的振动频率与振动强度，但会造成附属分离盘的圆柱阻力表现为多频、宽频的振动特征；另一方面添加附属分离盘的圆柱升力频率明显降低，但同样会造成多频和宽频的振动特征。总的来说，添加合适长度的分离盘可以大大降低涡泄频率，有助于避开“锁定”区域，降低涡激振动的响应，同时还应该注意附属分离盘带来的多频和宽频振动特征。本文的数值模拟方法也为附属抑制装置的立管涡激振动数值模拟奠定基础。     

Fatigue damage analysis of the deepwater riser from VIV using pseudo-excitation method

The fatigue damage of a long deepwater riser undergoing in-line and cross-flow vortex-induced vibration (VIV) in deepwater is numerically studied using pseudo-excitation method (PEM) in present paper. For evaluating the fluid–structure interaction problem of vortex-induced vibration of deepwater riser at high Reynolds number, the strip theory is employed in this paper, and the discrete vortex method (DVM) is used to calculate the VIV of each strip to obtain the load spectrum as the pseudo-excitation, while the finite volume method (FVM) is employed to evaluate the structure dynamics of a deepwater riser. The VIV is considered as a stationary random process. The response of riser to vortex induced excitation is calculated using pseudo-excitation method. The DVM model and pseudo-excitation method are both validated by comparing their numerical results with experiments. The fatigue damage of one deepwater riser is evaluated based on the Palmgren–Miner Rule.     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

LQR control on multimode vortex-induced vibration of flexible riser undergoing shear flow

Under the actions of ocean currents and/or waves, deep-sea flexible risers are often subject to vortex-induced vibration (VIV). The VIV can lead to severe fatigue and structural safety issues caused by oscillatory periodic stress and large-amplitude displacement. As flexible risers have natural modes with lower frequency and higher density, a multimode VIV is likely to occur in risers under the action of ocean currents, which is considered as shear flow. To decrease the response level of the VIV of the riser actively, a multimode control approach that uses a bending moment at the top end of the riser via an LQR optimal controller is developed in this study. The dynamic equations of a flexible riser including the control bending moment in shear flow are established both in the time and state-space domains. The LQR controllers are then designed to optimize the objective function, which indicates the minimum cost of the riser's VIV response and control input energy based on the Riccati equation of the closed-loop system under the assumption that the lift coefficient distribution is constant. Finally, the VIV responses of both the original and closed-loop systems under different flow velocities are examined through numerical simulations. The results demonstrate that the designed active control approaches can effectively reduce the riser displacement/angle by approximately 71%–89% compared with that of the original system. Further, for multimode control, the presented mode-weighted control is more effective than the mode-averaged control; the decrease in displacement is approximately 1.13 times than that of the mode-averaged control. Owing to the increase in flow velocity as more and higher-order modes are excited, the VIV response of the original system decreases slightly while the frequency response gradually increases. For the closed-loop system, the response becomes smaller and more complicated, and the efficiency of the controller becomes lower at a certain flow velocity.     

Effect of internal flow on vortex-induced vibration dynamics of a flexible mining riser in external shear current

Vortex-induced vibration (VIV) of flexible risers with both internal and external flows has received much attention recently. Hence, VIV dynamics of a fluid-conveying flexible riser subjected to external shear current is investigated. The effect of internal flow velocity and fluid density on VIV response is mainly examined and analyzed. A time domain model is introduced and elaborated. Then the finite element method is adopted to discretize the governing equations. Firstly, the model is validated based on the comparison between the numerical and experimental results. Then the influence of the internal flow velocity and fluid density on VIV dynamics is studied. The results show that multi-frequency response occurs when the flexible riser with various internal flow velocities and densities is subjected to external shear current. Under same shear current velocity, the IL mean deflection is enlarged with the increase of the internal flow velocity and fluid density. In addition, the internal flow velocity and fluid density have an evident effect on the vibrating frequency and the root mean square (RMS) displacement in both in-line (IL) and cross-flow (CF) directions. Moreover, mode and frequency transitions can be observed under different internal flow velocities and fluid densities.     

参激振动对顺应式垂直通路立管涡激振动的影响

顺应式垂直通路立管(CVAR)是目前处于研究阶段的一种新型的立管类型,在海流作用下产生涡激振动,在平台垂荡运动作用下产生参数激励振动。为了研究参数激励的影响,本文引入尾流振子模型模拟漩涡脱落对立管的作用,同时考虑浮式平台升沉运动产生的参数激励,建立了CVAR参激-涡激联合振动方程,获取联合作用下的动力响应,并与纯涡激振动响应进行对比。结果表明,在相同的流速下CVAR中部涡激振动幅值最大,流速的增大会导致涡激振动的频率增大,发生高阶锁振,高阶锁振振动幅值比低阶锁振振动幅值小。考虑参数激励之后,较纯涡激振动而言,立管的振动幅值增大;当参激频率与涡激振动频率接近时,立管的振动幅值最大。