细长海洋结构物涡激振动研究综述

随着世界范围内深海石油开采的需要,近年来关于海洋结构物涡激振动的研究越来越受到重视.虽然此问题在数值模拟和实验方面都已取得了一定的进展,但是还有许多问题尚待解决.同时,新型海洋结构物的引入给涡激振动的预报方法和抑振手段提出了新的挑战.因此,细长海洋结构物的涡激振动仍将是未来几年里备受关注的研究课题.本文在介绍有关涡激振动基本概念和理论背景的基础上,总结了近年来关于以深水立管为代表的海洋结构物涡激振动的研究与进展,包括对现有涡激振动分析工具的分类与评估;对柱体及海洋结构物涡激振动的实验研究;对深水立管与涡激振动相关的疲劳评估准则的研究;海洋结构物的横向、流向及轴向涡激振动的耦合作用研究;关于海洋结构物涡激振动的抑振措施和设备的理论及实验研究.本文着重介绍了计算流体力学方法在海洋结构物涡激振动研究中的应用和进展.最后,对海洋结构物涡激振动相关的研究热点的现状进行了总结并对今后工作提出了展望.     

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.     

旋转翼对海洋立管涡激振动抑振的数值研究

为抑制海洋立管的涡激振动,本文提出一种安装旋转翼的方案.采用非定常数值计算方法求解分析常规海洋立管和安装有旋转翼海洋立管的涡激振动特性.对旋转翼的相关参数进行定义;建立立管单自由度振动模型,并采用Newmark-β法数值求解振动方程;编写CFD数值计算的UDF,并结合动网格技术模拟求解立管的涡激振动过程.结果表明:随着旋转翼旋转角速度的增加,立管的振幅比逐渐减小,最后基本不变,抑制振动效果十分明显;当旋转角速度ω=3.0 rad/s时,旋转翼的控制效果最优,振幅比从0.98下降到0.008,振幅比降低99.2％;旋转翼的旋转运动会破坏海洋立管脱落的尾流漩涡,从而破坏海洋立管的周期性振动.     

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。     

海洋立管涡激振动的主动控制技术

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要原因,如何抑制海洋立管的涡激振动一直是海洋工程中的热点和难点问题.海洋立管主动控制技术能根据多变的环境条件实时调整控制策略和参数,具有更好的适应性.文章研究了通过施加端部激励对海洋立管涡激振动进行抑制的主动控制技术.基于尾流振子模型来模拟尾流漩涡与结构之间的相互作用,结合有限差分法和龙格-库塔法求解立管振动方程.轴向力激励对涡激振动存在显著干扰,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移;频率比远离共振频率时,立管振动呈宽频特性.     

并联布置立管涡激振动抑制装置试验研究

针对分隔板、控制杆和减振器3种涡激振动抑制装置,在波流水槽中进行不同间距下并联布置立管的裸管试验以及抑振管涡激振动试验研究,对比分析3种抑制装置的抑制效果。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种抑振装置在不同程度上均抑制海洋立管的涡激振动;从横向振动最优抑制效果来讲,控制杆的效果最好;从顺流向振动最优抑制效果来讲,控制杆和分隔板的效果好,减振器的效果较弱。综合比较不同工况下各个间距和振动方向的最优抑制效果发现,控制杆的最优抑制效果最好,能够对并联立管横向和顺流向的振动起到很好的抑制效果。     

柔性管异形表面结构对其涡激振动影响的数值研究

涡激振动（VIV）是导致海洋立管疲劳破坏的主要诱因,因此,抑制振动是立管设计需关注的重要内容。本文通过运用双向流-固耦合数值计算方法,开展翼型管、纹理管与光滑管的涡激振动响应特性的对比研究,探讨扰流翼板与表面纹理等异形表面结构对涡激振动被动抑制的有效性。计算结果表明：异形表面结构能够有效降低柔性管体的振动响应,缩短锁振区间,并且影响尾流区泄涡发放模式,减小管体流体力系数,起到明显抑制管体涡激振动的作用,且在较高的速度工况下,这种抑制效果更加显著。该研究可为采用被动式振动抑制的翼型管和纹理管等异形结构的海洋立管设计提供一定的理论参考。     

涡激振动影响下细长海洋结构物的阻力特性

利用柔性圆柱体涡激振动水池模型试验对细长海洋结构物发生涡激振动时的阻力特性进行研究。利用试验测得的圆柱体模型顺流向平均弯曲应变,结合梁复杂弯曲理论,计算出模型各截面处的平均阻力,获得沿模型轴向分布的阻力系数,分析涡激振动影响下细长海洋结构物阻力系数的变化特性。研究结论表明:均匀流下细长海洋结构物的阻力为非均布载荷,涡激振动对阻力系数具有放大效应,导致阻力系数在1.4~2.5之间变化。     

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。     

细长海洋立管涡激振动预报模型

涡激振动预报对于深水环境中的细长海洋结构物的设计至关重要.近年来出现的若干经验模型基于圆柱体受追振荡实验数据.文中介绍了细长海洋结构物涡激振动预报工具的发展,进而提出了一种基于圆柱体受迫振荡实验数据的预报模型.与现有的类似模型相比较,该模型更加直接地利用了原始模型实验数据,并且将立管的有限元模态分析并入到响应预报当中,以计及立管物理参数的不均匀特性.利用近期立管模型在阶梯状分布流以及剪切流中的涡激振动响应实验测量数据,验证了该模型的有效性.该模型的计算结果表明,立管的模态振型、模态频率与涡激振动响应高度耦合,并且对于低质量比的情况尤为明显.文中还指出了类似的基于受迫振荡圆柱体实验数据的预报模型存在的缺陷.     

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。     

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。     

三类边界条件下隔水套管涡激非线性振动的分析研究

考虑流及波流联合作用,研究了套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,考虑3类不同的边界条件,计及莫里森非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.应用克雷洛夫函数求解套管的固有频率和模态,采用了计算涡激非线性动力响应的迦辽金方法.以东海勘探3号钻井隔水套管为例,研究了不同边界条件下流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明:流对套管的动力响应占主导地位,而波的影响不大.分析了3类不同边界条件下隔水套管的涡激非线性动力响应,揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

Two degree of freedom flow-induced vibration of cylindrical structures in marine environments: frequency ratio effects

The flow-induced vibration of a cylindrical structure is a very common problem in marine environments such as undersea pipelines, offshore risers, and cables. In this study, the vortex-induced vibration (VIV) of an elastically mounted cylinder at a low Reynolds number is simulated by a transient coupled fluid–structure interaction numerical model. Considering VIV with low damping ratio, the response, hydrodynamic forces, and vortex shedding modes of the cylinder is systematically analyzed and summed up the universal rule under different frequency ratios. On the basis of the analysis, we find that the frequency ratio α is a very important parameter. It decides the locked-in, beat, and phase-switch phenomena of the cylinder, meanwhile, it also influence the vortex mode of the cylinder. The trajectory of the two degrees of freedom (2 DOF) case at different natural frequency ratios is discussed, with most trajectories having a “figure of 8” shape and a few having a “crescent” shape. A fast Fourier transformation technique is used to obtain the frequency characteristics of the vibration of the cylindrical structure. Using the 2 DOF cylinder model in place of the 1 DOF model presents several advantages in simulating the nonlinear characteristics of cylindrical structures, including the capacity to model the crosswise vibration generated by in-line vibration.     

螺旋列板绕流流场CFD分析

隔水管是海洋钻井作业的关键设备,其安全性至关重要.涡激振动是隔水管失效的重要因素.水深小于500m时,优化隔水管系统可以避免使用涡激抑制装置,超过1000m,必须采用涡激抑制装置.螺旋列板是现场常用的涡激抑制装置.基于流体动力学方法,利用FLUENT软件求解螺旋列板三维绕流流场的控制方程,同时计算了钝体隔水管三维绕流流场,流场参数(升力系数、曳力系数、涡量等)特征进行对比分析,显示出螺旋列板在涡激抑制方面的优势.计算结果表明,虽然螺旋列板能够减小横向升力,但同时会导致流向曳力明显增加.     

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.