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。     

粗糙立管涡激振动响应特性数值模拟研究

海洋立管是连接浮式平台和海底井口的关键设备,涡激振动是其疲劳损伤的主要原因,海洋生物吸附等因素会影响立管表面的粗糙度,使涡激振动特性更加复杂.论文基于CFD(计算流体动力学)与CSD(计算结构动力学)的双向流-固耦合方法,引入粗糙壁面速度梯度修正模型,构建粗糙立管涡激振动数值计算程序,研究粗糙度、来流速度等参数对涡激振...     

螺旋列板对立管涡激振动的影响

为更好地理解螺旋列板对涡激振动(VIV)的影响,采用大涡模拟(LES)的方法,对长径比为10的立管和不同螺距、螺高的螺旋列板进行模拟分析。结果表明:附加螺旋列板加大了顺流向的阻力,并且在螺高一定时,阻力随着螺距的加大而增大;与螺距相比,螺旋列板的高度对立管VIV的影响更大,且随高度增大,抑制效果越好。     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

拖缆涡激振动的试验研究

为了解圆柱型声纳阵拖缆在水下拖曳时，由于尾流中发放旋涡激起的涡激振动情况和有关规律，作者进行了试验研究分析。论文概述了试验模型设计、试验条件工况及测试分析系统，在理论分析的基础上，对涡激振动诸多因素（斯特劳赫尔数、雷诺数Ｒｅ、拖速、缆的倾角和导流方式）进行了专门分析，得到了它们之间相互影响的规律曲线和比较结果。这些试验数据和分析结果对进一步开展该类课题的研究，对声纳阵拖缆的设计，提供了技术依据。     

海洋立管涡激振动的数值模拟研究

利用计算流体力学软件CFX分别对刚性和柔性立管的涡激振动进行了二维数值模拟.首先在雷诺数为200时,采用不同的湍流模型,计算了刚性立管的升力系数(CL)和阻力系数(CD).与其它文献结果的比较表明,大涡模拟(LES)在计算精度上要优于其它湍流模型.然后分别计算了不同约化速度下立管的升、阻力系数、漩涡脱落频率以及无因次振幅,分析了流固耦合对立管涡激振动的影响,得到了升阻力系数随雷诺数的变化规律以及“锁定(Lock-in)”现象发生的约化速度范围.     

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。     

海洋立管的涡激振动

海洋输流立管是海面与海底井口间的主要连接件，是海洋基础结构的关键组成部分，作为海面与海底的一种联系通道，既可用于浮式海洋平台，又可用于固定式平台及钻探船舶。立管在波浪及海流的作用下易发生涡激振动（VIV），涡激振动是深水立管设计的一个主要控制因素。对海洋立管涡激振动的工程背景、研究现状进行了介绍，对所做的研究工作进行了总结，并提出了研究中的不足之处及进一步研究的建议。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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 surface roughness and initial gap on the vortex-induced vibrations of a freely vibrating cylinder in the vicinity of a plane wall

We studied the effects of the surface roughness and initial gap on the responses of vortex-induced vibration (VIV) of a circular cylinder near a stationary plane wall, employing numerical methods. The VIV response amplitudes, lock-in regions, hydrodynamic forces, VIV trajectories and flow fields for three different surface roughnesses and two different initial gaps were systematically compared. The results reveal that the reduced velocity range can be divided into three regions based on the VIV amplitude as pre-lock-in, lock-in, and post-lock-in regions. The width of the lock-in region is not sensitive to the variation of the roughness. The mean drag coefficient has a decreasing tendency with the increased roughness. For a small initial gap, the clockwise wall boundary layer vortices has coalesced with the clockwise vortices shed from the upper side of the cylinder, which further suppresses the shedding of the counter-clock wise vortices from the lower side of the cylinder. The vortex shedding flow pattern displays a weak 2S mode. However, for a large initial gap, there is no coalescing action operating in the wake region and hence most of the vortex shedding flow patterns show an asymmetric 2S mode.     

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.     

基于单向求解、双向流固耦合的悬臂平板绕流涡激振动特性对比研究

本文采用双向流固耦合研究一端固定的二维平板(展向无限长)涡激振动特性,通过流场和结构之间力和位移的相互传递来实现双向耦合。同时,对不同雷诺数下的平板绕流涡激振动进行了计算,并与单向求解算法进行了对比。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率时,将出现频率锁定现象,同时结构将产生极大的位移响应。在锁定雷诺数区域中,双向流固耦合结构位移响应明显小于单向求解算法,而在其他非锁定区间,两种算法差别较小。     

基于HHT方法的柔性立管涡激振动特性分析研究

本文针对试验中的柔性立管涡激振动响应特性问题,使用HHT方法进行分析。首先,将试验中获得的应变时历转化为位移时历,并进行EMD分解,分析确认分解结果的正确性。然后,根据分解结果,统计分析立管涡激振动模态数与流速的关系。之后,使用HHT方法分析立管涡激振动的频率响应特性,获得确认立管振动阶数的方法,在试验中发现"倍频"现象,并总结"倍频"现象分布的流速区间。最终,通过观察立管振动位移的时空分布,获得立管振动的阶数,发现了振型的不对称特性,并分析其导致模态混淆的原因,同时观察到立管振动模态的激励发展过程,并最终总结了不同流速下立管响应模态阶数及对应频率。     

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。