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.     

振荡来流下柔性立管涡激振动响应特性试验研究

在顶部浮体的带动下,悬链线立管的动力响应会诱发其周围产生相对来流,而这种振荡来流将激励立管悬垂段产生“间歇性”的涡激振动。文章在海洋工程水池中对不同最大约化速度URmax、KC数组合下的振荡来流作用下的柔性立管开展模型试验研究,利用光纤应变片测量模型的涡激振动响应。结合模态分析与小波变换对试验数据进行分析,讨论并总结了最大约化速度URmax以及KC数对涡激振动位移幅值响应特性的影响规律。文中进一步分析发现振荡来流下的涡激振动响应还存在“迟滞”及“高阶谐频”现象。     

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。     

深海立管参激振动研究综述

由于浮式平台升沉运动的影响,导致立管在水平方向上发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性,此外,参激振动与涡激振动联合作用会改变立管振动响应特性,加剧立管疲劳破坏。为对深海立管参激振动进行深入研究,通过总结国内外立管参激振动研究的主要成果,介绍了立管参激振动的主要特点和动力学模型,归纳了深海立管参激振动研究的主要方向,并就研究中较为薄弱的一些环节,提出了一些建议。     

立管涡激振动高阶响应研究

由于高阶响应对结构涡激振动存在显著影响,文中在考虑其影响的前提下利用经典Van der Pol尾流振子模型研究了立管在均匀流中的涡激振动特性。在尾流振子与结构模型的相互作用中同时考虑了一阶响应和高阶响应的影响,从而推导了一种考虑了一阶—高阶响应的涡激振动模型。并在此基础上,分析了考虑位移、速度和加速度三种不同右端耦合项作用下的响应特性。此外,还针对不同的质量阻尼比,比较了考虑高阶响应影响和未考虑高阶响应影响情况下系统的涡激振动特性。结果表明,考虑一阶—高阶响应的理论模型能更精确地反映该系统的振动特性。尾流振子和立管的运动幅值都有一定程度的增大。尽管计算结果显示高阶响应比一阶响应小若干个量级,但是不可以忽视高阶响应,因为它对一阶响应存在明显的影响。     

钢悬链线的涡激振动分析

文章介绍了立管在不同流剖面下的涡激振动实验,然后给出了简支钢悬链线的静态方程和基于能量平衡原理的涡激振动频域预报理论.之后提出把钢悬链的参数转化为顶部张紧钻井隔水管的参数的思想.通过预报顶部张紧钻井隔水管的涡激振动响应,得到钢悬链线的涡激振动响应.文中还研究了不同的顶部预张力和不同流剖面对钢悬链线的涡激振动响应影响.结果表明立管的固有频率和模态数的关系足线性的,并且立管的均方根位移和激励的模态数不仅与流速的大小和变化范围有关,还与顶部预张力有关.     

基于模型试验的实尺度立管涡激振动响应预报方法研究

为了研究立管涡激振动模型试验与实尺度立管涡激振动响应之间的相互关系问题,文章从模型试验的相似理论出发,基于涡激振动预报方法的理论分析;通过对模型试验中按照相似理论换算得到的流速进行调整的方法,改变模型立管的涡激振动响应,并逼近实尺度立管的涡激振动响应.结果表明:通过调整试验流速,提高试验的雷诺数,可以使立管模型的涡激振动响应模态数、无量纲振幅RMS(A/D)响应与实尺寸立管很好地符合.针对不同的缩尺比模型,给出了立管模型试验流速与其模拟的真实流速之间的对应关系式.     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明:立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响分析

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明：立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动预报模型

本文考查了在均匀来流中作横向振荡的圆柱体与周围流体之间的能量转移,由此建立了基于受迫振荡实验数据的弹性支撑圆柱体在均匀流中的涡激振动响应预报模型.根据此模型,分析了低质量-阻尼因子圆柱体的涡激振动响应特性.就水中圆柱体涡激振动响应特性相关的几个关键性问题进行了深入的讨论,包括响应振幅的决定因素、附加质量对锁定范围及响应频率的影响.正确理解这些问题对于深水立管涡激振动响应的有效预报至关重要.     

深海立管系统参数激励试验模拟装置设计

深海海洋立管在海洋环境中，受到各种不同的破坏作用，其中以海水流动引起的涡激振动和平台垂荡产生的参数振动最为明显而备受关注。而对立管的作用更为复杂的是参激—涡激联合振动。为了便于对参数振动进行研究，以及参激—涡激联合振动的研究得以展开，设计了海洋立管参数激励装置。通过PLC控制两台双轴的步进电机分别来模拟平台的垂荡和海水流过立管的相对运动；通过改变装置上主动杆和从动杆的连接部位而调节平台的垂荡振幅。编写了PLC控制程序，绘制了控制部分硬件接线图。基本实现了平台的垂荡频率在0.4 rad/s～1.6rad/s，振幅在0～2m之间；海水的海面流速在0.1 m/s～1m/s，满足实验条件。     

计及海底井口影响的隔水管涡激振动响应特性试验

在靠近海底井口位置,隔水管周围流场受井口系统的影响发生变化,流固耦合下涡激振动可能诱发隔水管在横流向(CF方向)更为剧烈的振动。为了研究受管土装置影响的隔水管涡激振动响应特性,使用自主设计的管土装置模拟海底井口,采用8 m柔性立管,进行了均匀流下单管和受管土装置影响的涡激振动对比试验。试验通过FBG光纤应变片测得应变信息,使用模态叠加法、FFT变换处理分析试验数据,对比分析2组隔水管的主导频率、应变时历与幅值谱、无因次振幅以及激励力系数等参数沿管径的分布情况。结果发现管土装置影响下,隔水管主导频率减小;CF方向涡激振动增大,振幅沿径向呈非对称特征;涡激振动振幅更大,隔水管受流场的激励与阻尼更为剧烈。     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响.借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟.通过与试验结果对比验证了该方法的可行性.同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤.研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注.     

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.     

Numerical analysis of vortex-induced vibration on a flexible cantilever riser for deep-sea mining system

The flexible cantilever riser, as a special form of the marine riser, can be encountered in a deep-sea mining system, where the bottom of the long vertical lifting pipeline is connected with the intermediate warehouse. The main objective of this paper is to investigate the effects of the bottom weight caused by the intermediate warehouse and the flow speed on the dynamic responses of the cantilever pipeline. A quasi-3D coupling algorithm based on the discrete vortex method and finite element method is employed to calculate the unsteady hydrodynamic forces and vortex-induced vibrations of this pipeline in the time domain, respectively. We first simulate the VIV of a long flexible riser with two fixed ends in a stepped flow to validate the feasibility of the present method. Then, systematic simulations of cross-flow VIV of the cantilever riser are carried out under a wide range of bottom weights and different current speeds. The number of the vibration mode shows the decreasing tendency with the increase of the bottom weight. In a certain range of the weight, the number of the dominant mode remains unchanged, while the vibration amplitude declines with increasing weight. An amplitude jump phenomenon can be observed when the transition of the dominant mode in two contiguous mode clusters occurs. Moreover, the higher-order modes are excited with the increase of the current speed.     

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.     

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。