波流作用下海洋立管流固耦合动力特性分析.pdf

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1、第40卷第5期化工机械653波流作用下海洋立管流固耦合动力特性分析+俞树荣¨王在刚刘雪柴宝堆(兰州理工大学石油化工学院)摘要利用输流管道流固耦合振动的研究方法，分析了海洋立管在波流联合作用下的动力特性。基于Hamilton能量原理。建立了立管耦合振动模型，推导出立管耦舍振动方程，并通过Hermit插值函数法对振动方程进行离散求解。同时，运用ANSYS软件分析了立管耦合振动的动力特性，得到了前六阶模态振型和固有频率。将数值模拟得到的立管固有频率与理论分析结果进行对比，充分验证了立管耦合振动模型的正确性。分析结果表明，

2、立管固有频率随管内流体流速的增大而减小。关键词海洋立管动力特性固有频率流固耦合耦合共振中圈分类号TQ055．8文献标识码A文章编号0254-6094(2013)05-0653-05海洋立管是连接海底管道和海洋平台生产设备的管段，在海洋平台中扮演着重要的角色，其上端一般连在平台的滑移节上，下端与方向节相连。立管内部一般有高温、高压的油或气流过，外部承受波浪、海流及风等环境载荷的作用⋯。当立管受到波浪、海流等脉动载荷的作用时其周围的流场会发生变化，这种变化的流场反过来又会使立管所受到的流体动力发生改变从而影响立管的运动

3、，在立管和内外流问形成一个相互影响的循环耦合振动系统阻】。在内外流的作用下立管有可能产生耦合振动，当立管固有频率与外界激励力频率接近时，会发生耦合共振现象，耦合共振现象的产生瞬间不会对立管产生巨大的破坏作用，但长久会加剧立管的疲劳破坏，造成立管失效。因此，对于立管耦合振动的研究在海洋工程中意义重大。目前，国内外的许多学者对立管的振动做了大量的研究，特别是在涡激振动(VIV)方面取得很大的成就。白长旭等¨，运用有限元软件ABAQUS中的AQUA海工模块对海洋立管进行动力分析，利用Morison方程求出波流耦合力，然后

4、将水动力载荷由流场传递到立管进行频域和时域的振动分析。分析得出，随着海流流速的增加，立管振动位移经历了一个先增大后减小的过程；立管发生涡激共振时，最大振幅发生于某一区间内，而不是存在于一个点。赵鹏良等”。运用动网格技术对立管低质量比、小阻尼的情况进行了涡激振动的模拟计算，通过在Fluent中插人求解振动方程程序实现流固耦合模拟，并捕捉到“锁定”、“失谐”等现象。HerfjordK和DrangeS0¨1提出了分析和评估海洋立管涡激振动的系统化理论，运用该理论能够对海洋立管疲劳损伤的程度进行现场评估。涡激振动侧重流体水

5、动力对立管的作用，忽略了立管与内外流间的耦合作用。为了更加准确地研究处于波流载荷作用下海洋立管的振动情况，参照输流管道耦合振动的研究方法，考虑内流的影响，对海洋立管的耦合动力特性进行研究。1立管耦合振动方程的建立为了便于立管振动方程的建立和分析，做出如下的假设i波浪和海流沿同一方向传播，海流为均匀流；立管的材料性能和刚度沿其高度方向不变；由于张力远大于立管自身重力，因此张力不随高度的变化而发生变化；立管内部有粘性流体(原油)存在，并以速度弘向上流动。坐标原点设在立管的下端，规定彳轴向上为正方向，波流和·国家质检公益

6、基金资助项目(201210026)。·}俞树荣，男，1962年3月生，教授。甘肃省兰州市，730050。654化工机械2013年海流都沿菇轴的正向传播。立管采用下端固定，上端铰接的连接方式。立管系统的坐标、波流分布情况如图1所示。心／一，1ri、／图1立管系统简化模型振动方程是动力分析的基础，获得振动方程后就可以进行动态响应分析和振动特性分析。根据Hamilton能量原理推导立管耦合振动方程，Hamilton能量原理为：rt2r‘2JI6(r—y)dl+Jl8Wdt=0(1)式中r——立管单元动能；V——立管单元势

7、能；艿形——非保守力做功。立管系统的总动能包括立管的动能和管内流体的动能。在立管上取长度为出的微段，其动能为im～i#y)2dz，则长度为Z时的立管动能为：二a‘t=J。詈(警)2出(2)其中，示为单位长度立管的有效质量，而=m，+m’(m，为单位长度立管的长度，m，=}p，(D。一D；)2，P，为立管材料密度；D。为立管外径；D；为立管内径；m’为附加质量，m’=C。半，cM为附加质量力系数；p。为管内流体的密度)。立管内流动能的计算参考了郝婷明和陈贵清哺1在埋地管道的振动分析中计算方法。立管在流体水动力的作用下

8、发生弯曲变形，立管横向弯曲变形微段图如图2所示。假设该变形为小挠度变形，则立管内流体的流动方向与z轴的夹角0很小。输流管道弯曲振动时，设管内流体沿立管轴线方向的速度为∽，管内流体质点沿：轴方向的速度分量为U；。=U；cosO，管内流体质点沿Y方向的速度分量为Ui=罟+Uisin0，按照小挠度理论，忽略二阶以上的尢男小量，得U；：=Ut，Ui。=警+玑瓦cgy