基于计算流体动力学的海洋导管架平台钻井隔水导管涡激振动评估

为评估海洋导管架平台钻井隔水导管在涡激振动下的安全性,基于计算流体动力学（CFD）,数值模拟了隔水导管在海流作用下的涡流形态和频率,分析了涡激振动对隔水导管位移和应力的影响。结合海洋导管架上多导向孔约束的隔水导管工程边界条件,形成适用于海洋导管架平台钻井隔水导管涡激振动的工程分析方法。当绕隔水导管的海流对隔水导管产生周期性横向力,并以接近隔水导管的固有频率作用于隔水导管时,会导致涡激振动;由于导向孔的支撑作用,导向孔间的振动形式通常为驻波形式,按照1年、100年重现期的海况计算,涡激振动的风险较小;若隔水导管与导向孔存在间隙,流速的大小确定了隔水导管与导向孔是否会接触,从而影响隔水导管涡激振动的发生;与大流速情况相比,小流速更有可能引起隔水导管的涡激振动,但由于导向孔能够限制涡激振动能量的累加,因而保证了隔水导管的安全。     

缆风绳对深水导管架圆管风致涡激振动的抑制

将在建深水导管架圆管简化为悬臂梁,以实际导管架圆管为例,建立有限元模型;分析圆管的固有振动特性,依据规范判定圆管发生了风致涡激振动,并计算振动幅值;在圆管自由端绑定缆风绳,施加涡激力,分析不同绑定参数对振动抑制效果的影响。计算表明,缆风绳对悬臂圆管的风致涡激振动有很好的抑制作用,绑点到管自由端的距离在管总长的20%以内、缆风绳与圆管的夹角接近90°,减振效果更好。     

波流联合作用下深海垂直杆件三维振动响应分析

本文研究了深海垂直杆件在波流联合作用下的波激-涡激-参激耦合振动特性.基于Hamilton原理,建立了垂直杆件的三维振动模型,考虑Morison力、涡激力和顶端变张力,对结构的波激-涡激振动和波激-参激-涡激联合振动进行数值模拟,求得杆件各点位移时历曲线,并针对时历曲线进行快速傅里叶变换得到能量频谱,从能量角度分析杆件振动特性.在此基础上,研究了振动幅值随流速、参激频率和参激幅值的变化规律.研究表明:在波流联合作用下,杆件振动出现非线性,轴向振动存在1/2和1/4亚频振动成分,拖曳力方向振动存在二倍波激频率成分;当涡泄频率接近杆件横向振动固有频率时,轴向振动和涡激振动振幅增加;存在参数激励时,杆件三个方向的振幅增大,振动对流速更加敏感;参激频率接近杆件固有频率时,轴向振幅和涡激振幅均增加,而当参激强度增加时,三个方向的振幅均增加,平衡位移不受影响.     

水下杆状结构三维振动数值模拟

本文研究柔性杆状在涡激-参激联合作用下的三维振动响应特性问题。基于Hamilton原理,建立了柔性杆的三维振动模型,考虑Morison力、涡激升力以及顶端变张力,对结构的涡激振动和参激-涡激联合振动进行数值模拟。针对振动方程,首先借助有限差分法和Runge-Kutta方法对方程进行数值求解,求得结构的三维振动响应,绘制了各自由度振动的时历曲线、相平面图、庞加莱截面图以及能量频谱,研究了参激-涡激联合振动情况下,杆件的非线性振动特性。     

浅谈PY30-1导管架建造过程中的涡激振动

文章阐述了PY30-1导管架涡激振动的产生机理,常用的计算方法以及如何采取有效的措施来抑制风振并介绍比较了它们各自的优缺点.     

海上单桩风力发电平台简化设计

采用在欧洲已经进行商业化运作的独立桩双段结构，桩基础采用带有过渡段的单桩。塔架上的风力发电机采用丹麦Vestas公司的V80风力发电机。参考DNV-OS-J101和API-RP-2A中的工作应力设计法，进行结构静力、桩基础的承载力，涡激振动、疲劳寿命，结构动力学等分析。静力分析分析极端环境下的组合工况；桩基础主要计算桩的轴向承载力和校核水平承载力，并采用有限元模型模拟桩土相互作用；涡激振动分析主要考虑不同风速下塔架的升力以及引起的横向振动；疲劳分析根据涡激振动分析的结果利用S-N曲线对基础寿命进行了评估；动力学分析求出了结构的固有频率，并进行了波浪力作用下的瞬态历程分析。     

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。     

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。     

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。     

三类边界条件下隔水套管涡激非线性振动的比较分析

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.     

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.     

不同质量比对刚性圆柱体涡激振动振幅的影响

涡激振动发电装置是一种能够捕获浅海区域低流速海流能的新型能源装置,为了在不同海况下均能高效地对能量进行转换,需要对振动参数进行探讨,因此本文对质量比在振动响应和能量方面进行了分析。结合尾流振子模型和结构振动模型,得到双自由度涡激振动耦合模型,将Stappenbelt实验设置输入该模型,模型计算结果与其实验结果吻合,验证了模型的正确性。通过对中低质量比、超低质量比和高质量比三种条件下的柱体涡激振动响应进行分析,结果表明：中低质量比条件下,振幅和频率锁定区间宽度随质量比增加而减小;超低质量比条件下,顺流向无量纲振幅接近1,无法忽略,双向最大振幅发生约化速度Ur=6附近;高质量比条件下,最大振幅所对应的约化速度随着质量比的增加而增加,顺流向第二次波峰消失,横向出现两次波峰。     

Fatigue damage prediction of ship rudders under vortex-induced vibration using orthonormal modal FSI analysis

Recently, the fatigue failure of ship rudders owing to vortex-induced vibration has increased as commercial ships become faster and larger. However, previous methods are inappropriate for fatigue failure prevention owing to the lack of fluid–structure interaction considerations. This study aims to develop a fatigue damage prediction method that can be applied at the design stage to prevent fatigue failure of ship rudders under vortex-induced vibration. The developed prediction method employed the fluid–structure interaction (FSI) method to properly consider the fluid–structure interaction and implemented orthonormal mode shapes to reflect the complex geometry and boundary conditions of the ship rudders. For validation, vortex-induced vibration of the hydrofoil model was obtained using the developed method, and the prediction results matched well with the experimental results. Then, the fatigue damage of the ship rudder model under vortex-induced vibration was predicted using the developed method, and their characteristics are discussed. The stress distribution obtained using the developed method matched well with the geometrical characteristics of the ship rudders. The potential for fatigue failure due to the resonance of vortex-induced vibration was expected by comparing the stress distributions for various flow velocities to the S–N curves provided by the DNV classification.     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现：在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显“锁定”现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在Ur=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的“8”字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

水下浮式结构优化设计及力学特性试验

针对大长细比浮式结构水下工作时存在涡激振动、结构稳定性差、动态特性明显等问题,分析计算水下浮式结构力学特征、动力学特性,寻找解决减小水下浮式结构涡激振动效应的方法。同时采用物理模型试验方法验证研究成果的准确性。研究结果表明,采用合理导流板结构形式,可有效降低水下浮式结构涡激振动效应。该理论分析与仿真计算方法可有效应用于水下浮式结构优化设计。     

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.     

海底管线悬空振动的研究现状

海底管线管跨段的涡激振动,是引发海底管线疲劳失效的主要因素之一。介绍了管跨段的形成原因,总结国内外关于管跨段临界长度的计算方法,探讨了近年来对涡激振动问题理论及实验研究的研究现状,提出了在今后的管跨段研究中有待解决的问题。     

深海张力腿非线性动力学分析

深海复杂载荷易引发张力腿涡激振动。考虑涡激载荷、流体阻尼力、预张力和平台运动等耦合作用,根据Hamilton原理建立张力腿空间非线性动力学方程,然后采用有限差分法进行数值求解。考虑南海海况,讨论典型张力腿平台动力响应特点,通过研究可为深海平台的设计和安全运行提供技术参考。