海洋立管涡激振动模型的实验验证.pdf

《海洋立管涡激振动模型的实验验证.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第45卷第6期2015年6月中国海洋大学学报PERI()DICAI。OF0CEANUNIVERSITYOFCHINA45(6)：108～115June，2015海洋立管涡激振动模型的实验验证+郭海燕，牛建杰，李效民，张莉，王飞(中国海洋大学工程学院，山东青岛266100)摘要：考虑内流作用利用功能原理建立顶张力立管涡激振动响应数值模型，采用尾流振子模型模拟涡激振动升力，利用Hermit插值函数将其离散得到立管振动响应的矩阵方程形式，运用Newmark--p法在时域内迭代求解其动力响应。在山东省海洋工程重点实验室进行了阶段流作用下的大长细比海洋立管涡激振动试验，对比数值模拟和试验结果表明该模

2、型对于考虑内流作用的大长细比海洋立管涡激振动响应预报是有效的，为深水立管涡激振动研究提供一定的借鉴。关键词：内流；大长细比；顶张力立管；涡激振动中图法分类号：TK730．1；0357．5文献标志码：A文章编号：1672—5174(2015)06—108—08DOI：10．16441／j．cnki．hdxb．20130276随着油气开发走向深海，对深水海洋立管涡激振动(VIV)的研究成为当今的热点问题。深海立管的一个典型特点是具有大长细比，如何对其进行更加准确真实的VIV预报不仅具有较大的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。近年来关于海洋立管涡激振动的研究，国内外学者做了大量的工作。1wa

3、nEl]基于尾流振子模型，提出了预测VIV响应的半经验公式。ChaplinE2]等进行了阶梯状来流作用下的顶张力立管模型试验，研究了立管在不同顶张力和不同外流流速下的动力响应。VandiverE3]基于能量平衡的观点并在通过大量试验确定流体力数据库的基础上开发了目前广泛用于海洋立管涡激振动分析的商业软件SHEAR7。国内薛鸿翔[4]等建立了深海立管在非均匀流下涡激振动响应的简化分析模型并与试验对比验证了其有效性。唐国强[5]等创建了预报深海柔性立管涡激振动的经验模型，分析了立管顶部张力、水流流速等的变化对立管动力响应的影响。郭海燕[6。8]等建立了考虑内流作用的顶张力立管涡激振动数值模型，

4、通过较小长细比立管模型试验验证了该数值模型的有效性。然而，内外流共同作用下的大长细比海洋立管涡激振动响应研究还鲜有报道。本文考虑内流作用利用功能原理建立立管涡激振动的运动方程并与尾流振子模型方程耦合求解立管涡激振动的动力响应，同时通过与模型试验对比验证了该数值模型在阶段流和内流共同作用下大长细比海洋立管涡激振动响应预报中的有效性。1数值模型1．1运动方程将立管简化为顶部张紧的简支梁模型，建立右手空间直角坐标系OXYZ，其中坐标原点0位于立管的底部，X轴方向为顺流向，仅考虑y轴方向即横向的振动，运用功能平衡原理求得立管振动方程[9]：硒+(f+Ct)多+2m：V乡7+Eb“’一ty”+m，y

5、"W—Fl(1)其中：m一优，+m，+优。，m，为立管单位长度质量，mi为单位长度管内流体质量，m。为单位长度附加流体质量；c为结构阻尼系数；c7为等效流体阻尼系数；V为内部流体流速；El为弯曲刚度；L为立管单元的有效张力；FI一1／4×pfU2／X；coq为单元横向升力，

6、0r为流体密度，U为外流流速，D为立管直径，CL。为对应于定态圆柱体的横向升力系数幅值，一般取CL。一0．3，q为升力振子系数，q一2CL／G。。1．2尾流振子模型本文采用Facchinetti[10]推荐的尾流振子模型模拟流体对立管的涡激振动升力，该模型用经典的模拟振子运动的VanDerPol方程来表达旋涡脱落的振动

7、特性，仅考虑结构与流体的线性耦合项，相比其他尾流振子模型简单而有效，其振动方程为：q+￡-Ws(q2—1)q+硼细一‘(2)其中：e为非线性项中的小参数一般取￡=0．3；叫，一2nS，U／D为漩涡脱落频率，S，为Strouhal数；Fq—A／D×多，A为流体动力参数一般取A一12。*基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2010AA092303)；国家自然科学基金项目(51279187)资助收稿日期：2013—0701；修订日期：2013—09—30作者简介：郭海燕(1959一)，女，教授，博导。E-mail：hyguo@OUC．edu．cn6期郭海燕，等：海洋立管涡激振动模型的实验验证1

8、．3数值求解将运动方程(1)和尾流振子模型方程(2)耦合求解，采用Hermit插值函数离散得立管振动方程的矩阵表达形式：EM。]{y}+[C、．]{y)+[K、．]{y}一{F、，}(3)[M。]{q)+[G]{q}+[K。]{q)一{‘}(4)采用Newmark—J3方法，在时域里迭代求解方程(3)和(4)从而得到立管在任意时刻的动力响应。基于上述原理编写了海洋立管涡激振动数值模拟系统NSVlVEll一。2涡激振动试验