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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

海洋立管涡激振动抑制装置模型试验研究

本文提出三种不同的涡激振动抑制装置设计方案：扰流纤维抑制装置、反向耦合单组双螺旋叶片式抑制装置以及反向耦合双组双螺旋叶片式抑制装置,分别对其进行试验研究,对比分析各模型的振动特性和抑制效果。实验结果表明：所设计的涡激振动抑制装置,均能在一定程度上降低立管的涡激振动响应。从抑制效果来看,对称来流情况下的双组双螺旋装置的效果最佳,其次为单组双螺旋装置和长扰流纤维装置,而短扰流纤维装置和非对称迎流情况下双组双螺旋装置的效果较差。对称来流和非对称迎流情况下的双组双螺旋装置是相同的,因此,采用双组双螺旋装置时,应根据海域的长期洋流方向,合理地布置该装置,使其最大限度地发挥抑制作用.     

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。     

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.     

剪切流下海洋立管涡激振动的三维数值模拟

对1根长为9.68 m的三维海洋立管涡激振动现象进行流固耦合模拟,立管的长径比为482,来流为剪切流。通过在立管长度方向上施加一固定的顶部预紧力,来更好地控制立管变形。三维粘性、不可压缩流体场采用非稳态的N-S方程和k-ω湍流模型进行三维CFD数值模拟,固体场采用基于三维实体单元的有限元方法进行模拟,通过一种新的方法 System Coupling实现流-固耦合交界面的数据交换。模拟结果与均匀流模拟结果相似,反映了多模态的振动特性,说明这种方法有一定的可行性。立管脱落呈现多种涡结构模式,稳定后呈"2S"。立管出现大的非对称弯曲变形现象,介于1阶模态和2阶模态之间转换,最终锁定在2阶模态。     

上凸型内孤立波场中顶张力立管极值响应分析

为研究上凸型内孤立波作用下立管的响应问题,建立了顶张力立管在上凸型内孤立波场中的运动方程,流体作用力通过Morison方程求解,上凸型内孤立波引起的速度和加速度用两层流体KdV方程计算;采用有限元法离散控制方程,并用Newmark-β法在时域内求解。通过数值模拟探索上凸型内孤立波作用下顶张力立管的位移、弯矩、应力、顶底端转角等极值响应规律,并分析内孤立波幅值、上下两层流体密度差、顶部张力及壁厚对立管响应的影响。研究结果表明,上凸型内孤立波会引起顶张力立管的位移、弯矩、应力及顶底端转角显著增大;由于上凸型内孤立波引起的海水剪切作用剧烈,导致上下两层流体中立管位移反向。     

海洋隔水管的受力分析

海洋石油钻井平台用隔水管是海洋石油平台的重要设备之一,它的主要作用是为海底井口和钻船之间泥浆循环提供回路,并为钻具送入海底井口进行导向.由于钻井船的漂移、海水的流动造成了隔水管的受力也较为复杂.本文通过对各种载荷的分析,在建立数学模型的基础上,引用了各种受力的数学方程式,对其进行了定性的分析.主要通过受力的分析,对我们在海上钻井施工中隔水管的应用、故障分析以及维护保养起到一定的指导作用.     

波浪载荷对船舶柴油机振动的影响研究

为避免波浪载荷对柴油机运行造成安全性的影响,本文利用 AQWA软件计算波浪的动压力,采用APDL语言编写加载程序实行波浪载荷对船体的自动施加,研究在不同波浪高的情况下,柴油机受波浪载荷的谐响应作用。研究结果表明,如果激励频率过小,柴油机的振幅和应力都较大,发生共振作用,柴油机动力特性就会减弱,导致柴油机运行不稳定;如果激励频率过大,柴油机的振幅和应力会在极小值附近来回摆动,这样容易对柴油机整体造成简谐力的作用,柴油机会发生疲劳破坏。     

波浪载荷对船舶柴油机振动的影响研究

为避免波浪载荷对柴油机运行造成安全性的影响,本文利用AQWA软件计算波浪的动压力,采用APDL语言编写加载程序实行波浪载荷对船体的自动施加,研究在不同波浪高的情况下,柴油机受波浪载荷的谐响应作用。研究结果表明,如果激励频率过小,柴油机的振幅和应力都较大,发生共振作用,柴油机动力特性就会减弱,导致柴油机运行不稳定;如果激励频率过大,柴油机的振幅和应力会在极小值附近来回摆动,这样容易对柴油机整体造成简谐力的作用,柴油机会发生疲劳破坏。     

海上超短波通信传输预测模型研究

在海洋船舶通信系统中,超短波通信由于抗干扰能力较强得到较多的应用。在海上超短波通信系统中,前端发射天线作为整个系统中重要的一环,其设计性能影响着整个通信系统,并且由于现代舰船电子设备较多,短波通信系统天线设计需要对抗这些干扰。本文研究传统的舰载短波通信天线传输模型,分析信号发射和接收中的抗干扰技术,并在此基础上提出一种全新的舰载短波通信发射系统天线阵列,有效提高了整个海上超短波通信的抗干扰能力。     

缓波型非粘接柔性立管的干涉敏感性

针对非粘接柔性立管在波浪和海流作用下易发生立管干涉的问题,以我国南海某油田输油立管和相邻锚链为例,分别对拖曳力系数、管道单位长度质量、外径、内部介质密度、立管抗拉弯扭刚度和悬挂角度等参数进行敏感性分析,得出不同参数的敏感性情况,并在此基础上提出一些建议供实际工程设计参考.     

入射声源对水下艇体散射场影响研究

简要介绍了用Helmholtz积分公式和Kirchhoff公式计算简单刚性几何形状目标的散射场过程,给出了水中壳体目标声散射的求解方法;基于Sysnoise软件在固定入射角下,改变入射波频率对水下艇体散射场进行仿真,得出频率对场点压力的影响;在固定入射波频率下,改变入射角度对艇体的散射场进行仿真,得出了不同入射角下散射场的指向特性.对轴对称的艇体,除平行轴线入射外,散射指向性呈非对称特性.在相同入射条件下,艇体目标的声散射特性基本符合角平分线规律.散射场压力的最大值出现在几何镜反射的方向上.     

立管横流-顺流双向涡激振动数值预报方法

海洋立管涡激振动属于典型的流固耦合问题,涡激振动在横流及顺流方向上会同时发生并存在耦合效应。在以往的相关研究中,常忽略顺流向振动或将横流及顺流向振动响应间相互作用进行弱化。本文以顶张式立管为研究对象,基于圆柱体双自由度受迫振动试验数据,使用有限元方法和能量平衡方程建立涡激振动频域预报模型。该数值模型能够同时得到立管在横流及顺流方向涡激振动响应特性。通过与均匀流、阶梯流和剪切流3种不同类型来流工况下顶张式立管自激振动实验数据进行对比,验证了数值模型的有效性。该预报方法可为深入理解海洋立管涡激振动问题提供一定的参考。     

Riser-soil interaction model effects on the dynamic behavior of a steel catenary riser

A mathematical model employed to analyze the global dynamics of a Steel Catenary Riser (SCR) taking into account the interaction with the seafloor and the effect of the soil reaction forces is established. The choice of soil model plays an important role for the dynamic behavior of SCRs. The riser has been modeled using flexible beam with large curvature and elastic foundation beam to describe the riser-soil interaction by means of realistic nonlinear load-deflection (P–y) curves. The study is made to improve an existing finite element numerical code for dynamic analysis of mooring lines and risers, known as CABLE 3D, which is based on a slender rod assumption. Effects of nonlinear seabed model on the dynamic behavior of SCRs under vessel cyclic perturbation have further been investigated and discussed using a realistic P–y curve to simulate soil deformation and resistance forces. The interaction model depends on several factors, such as soil strength, penetration depth and riser characteristics. The dynamic responses of the riser Touchdown Point (TDP) excited by vessel periodic heave motion are studied and the results are compared with those from the linear spring model. SCR has been perturbed by 10 regular sinusoidal cycles and the responses calculated by improved code show a number of features such as suction force mobilization, gradual increasing penetration depth, and gradual reduction of soil resistance at maximum penetration. The riser behavior at the touchdown zone (TDZ) depends on the riser top motion amplitude, nonlinear soil stiffness and suction force. The impact of the riser-soil interaction model on the dynamic behavior in the TDZ has been thoroughly studied in this paper.