并列双立管涡激振动特性的数值和实验研究

为了观察并列双立管涡激振动中尾流及升阻力的变化情况,采用CFX数值模拟和实验相结合的方法对单立管及中心间距为2~8倍直径的并列双立管进行研究,CFX计算时考虑流固耦合的作用。结果表明:在间距为3倍立管直径时升力幅值出现最大值,此时两立管拖曳力一致,升力相位差为180°,且此时尾流叠加区域产生了一个与涡泄频率一致的速度变化场,导致立管的拖曳力周期与升力周期相同;随着间距的增加,一侧立管运动轨迹从椭圆形向8字形转变,可见低倍立管间距时,立管间的相互作用明显,随着距离的增大,影响将逐渐减弱。因此立管设计安装时中心距离应远离3倍直径,最好在8倍直径附近比较安全。     

基于CFX-CFD软件的并列双立管升阻力研究

文中基于ansys11--cfd软件中的cfx模块模拟并列双立管间不同间距下立管的绕流情况,采用o-grid划分方法对立管处进行加密处理,使结果分析更加精确,文中针对不同立管间距,研究了立管升力和拖曳力的变化,以及单立管和双立管的升力和拖曳力比较,为进一步研究涡激振动提供了数值依据。     

基于全相似的串联双立管大雷诺数涡激振动研究

为了解串联双立管的涡激振动情况,基于完全动力相似,采用ANSYS/CFX针对大雷诺数串联双立管的涡激升力和脉动拖曳力以及圆柱绕流和流固耦合,基于物理模型分析串联双立管在不同雷诺数、不同间距下双立管的受力情况,结果表明,当两立管间距较大,采取圆柱绕流的方法代替流固耦合来模拟立管受力时,结果可信并偏安全。     

二维立管Helical Strakes绕流场的ANSYS-CFD分析

利用ANSYS-CFD软件模拟螺旋侧板(helical strakes)对立管涡激振动的抑制作用。对二维的光滑立管和覆盖两种不同螺旋侧板高程的立管,在不同的雷诺数下进行模拟分析,将得到拖曳力和升力结果与数值和实验结果进行对比表明,螺旋侧板可以影响拖曳力和升力的变化,扰乱流场,很好地抑制漩涡的产生。     

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。     

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。     

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。     

干涉对海洋立管涡激振动影响实验研究

文章进行了干涉对海洋立管涡激振动影响的实验研究,实验分为立管前后排列和并肩排列两部分。立管间距为3~10倍直径,模型材料采用有机玻璃,长1.5 m,外径18 mm,壁厚2 mm,边界条件均为铰接,外流速分别从0.3~0.8 m/s,每级增加0.1 m/s。通过在立管表面粘贴应变计获得动态应变数据,分别从立管的横向动态响应、振幅、频率等方面对前后排列、并肩排列立管以及和单独立管的实验数据进行对比研究。结果表明,当有外流通过时,立管会受到其他立管尾流的影响,漩涡脱落引起的振动由于间距及排列方式的不同而显著不同,使得立管的动力特性、动力响应以及漩涡的脱落形式同单个立管相比均有较大的变化。     

尾流干涉下考虑流固耦合作用的海洋立管涡激振动的数值模拟

利用Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,通过求解N-S方程、RNG湍流模型以及结构动力学模型实现流固耦合,对串联间距为4D的等径立管进行数值模拟,分析在尾流干涉下立管的涡激振动。基于数值模拟结果分析:串联间距为4D时上下游立管都有漩涡脱落;下游立管在尾流干涉下,考虑流固耦合时相比固定立管时所受升力增大,立管振动有"失谐",涡激振动到达"锁定"状态以及之后的一段约化速度范围内,升力系数呈现多频现象,且有一个频率总是接近立管固有频率,随着约化速度增大,涡激振动远离"锁定"状态多频现象逐渐减弱,同时升力系数幅值周期性变化,下游立管剧烈振动使其自身尾流区出现"断层"。     

钢悬链线立管整体干涉分析研究

深水海洋立管具有柔性,特别是极端海况条件下,相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力,从而影响其疲劳寿命.钢悬链线立管相比顶张力立管,有效张力较小,对环境载荷作用更加敏感,更容易发生碰撞.基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型,从允许碰撞的角度出发,对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析,研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响,阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律,为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考.     

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。     

整流罩对深海立管水动力影响的数值模拟研究

应用CFD大涡模拟方法,对附有整流罩的深海立管的水动力影响效果进行了三维数值模拟。对不同的弦厚比在雷诺数分别为3 900、10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数及其频谱等特性。模拟结果表明:整流罩对立管升力和阻力有明显的抑制效果,相较于光滑立管,阻力系数均值降幅最大达到24.1%,升力系数均方根值降幅最大达到81.1%。阻力系数均值随弦厚比的增加先减小后趋于平稳升力系数均方根值随弦厚比的增加而增加。对比结果显示,弦厚比为1.2~1.6时,整流罩对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

水下压缩空气储能系统柔性立管响应特性分析（英文）

With the rapid development of marine renewable energy technologies, the demand to mitigate the fluctuation of variable generators with energy storage technologies continues to increase. Offshore compressed air energy storage(OCAES) is a novel flexible-scale energy storage technology that is suitable for marine renewable energy storage in coastal cities, islands, offshore platforms, and offshore renewable energy farms. For deep-water applications, a marine riser is necessary for connecting floating platforms and subsea systems. Thus, the response characteristics of marine risers are of great importance for the stability and safety of the entire OCAES system. In this study, numerical models of two kinds of flexible risers, namely, catenary riser and lazy wave riser, are established in OrcaFlex software. The static and dynamic characteristics of the catenary and the lazy wave risers are analyzed under different environment conditions and internal pressure levels. A sensitivity analysis of the main parameters affecting the lazy wave riser is also conducted. Results show that the structure of the lazy wave riser is more complex than the catenary riser; nevertheless, the former presents better response performance.     

Response prediction of long flexible risers subject to forced harmonic vibration

Several research efforts have been directed toward the development of models for response prediction of flexible risers. The main difficulties arise from the fact that the dynamic response of flexible risers involves highly nonlinear behavior and a self-regulated process. This article presents a quasi-steady approach for response prediction of oscillating flexible risers. Amplitude-dependent lift coefficients are considered, as is an increased mean drag coefficient model during synchronization events. Experimental validation of the proposed model was carried out using a 20-m riser model excited by forced harmonic vibration at its top end. Large variations in the hydrodynamic force coefficients, a low mass ratio value, and synchronization events are the main features of the model presented in this article. Experimental validation was provided for the asymmetric, transverse, diagonal, and third vortex regimes.     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

非粘结柔性立管静态分析

海洋柔性立管因材料和结构上的复杂性在设计分析中存在许多技术难题。本文在变形能原理和能量守恒的基础上,推导出了柔性立管各层的刚度矩阵。将各层刚度矩阵进行叠加,得到柔性立管总体刚度矩阵,并用总体刚度矩阵求解静载荷作用下立管变形响应。同时基于ABAQUS软件建立八层非粘结柔性立管有限元模型,并将有限元计算结果和刚度矩阵计算结果进行比较。结果分析表明：运用推导得到的刚度矩阵求解静态载荷下立管的变形是一种简便且准确的方法。     

Participating mass in colliding risers

One of the main challenges in estimating impact energy in collisions between marine risers is the assessment of the riser mass involved in the collision. Evidently the entire riser mass does not contribute to the collision. Hence, the question is: What is the equivalent riser mass which contributes to the impact energy? This article presents three different ways of estimating the riser mass participating in the collision energy. The first method is strictly experimental. The second method uses a numerical experiment together with system identification techniques. The third method is a strictly analytical method, which results in an asymptotically upper bounded estimate of the participating mass. Two risers are examined as case studies. The first riser is a 1 : 100 model scale riser used in collision experiments carried out at Marintek's towing tank in Trondheim, Norway. The second case uses a real world riser in use on the Troll B oil production platform operating in the North Sea. The proposed methods yield consistent and comparable results. Received for publication on Feb. 1, 1999; accepted on July 8, 1999