平台垂荡运动诱发钢悬链线立管涡激振动响应研究

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随着海洋油气资源开发向深水迈进，用于连接顶部平台与海底的各种柔性结构物（例如海洋立管）也变得更加细长。海洋立管在海洋环境载荷以及平台运动的作用下，其动力响应极其复杂。目前立管动力响应的分析总体上包括两个相互关联的研究内容：1)忽略涡激振动（Vortex Induced Vibration，VIV）影响的、由顶部平台运动引起的立管全局动力响应（Riser Global Dynamic Responses）研究；2)背景洋流引起的立管涡激振动研究。然而，对于顺应式立管而言，以钢悬链线立管（Steel Catenary Riser，SCR）为例：即使不考虑海洋中的背景来流，在顶部平台的作用下，立管在静水中的往复运动也将在立管悬垂段与其周围水质点之间形成相对的等效振荡来流。这种振荡来流也会在立管尾部引起漩涡脱落，从而进一步导致升力的周期性变化。针对“等效振荡流场能否诱发立管涡激振动？”，即“平台运动能否诱发立管涡激振动？”这一问题，当前工业界、学术界还没有给出定性、定量的结论。
　　本文以“振荡流下机理性自激振荡试验”和“平台垂荡运动下大尺度钢悬链线立管试验”为基础，运用模型试验与理论分析相结合的方法，尝试回答“平台运动能否诱发立管涡激振动？”这一问题；探索顶部平台垂荡运动、钢悬链线立管面内全局动力响应、立管周围等效振荡来流、立管面外涡激振动四者之间的内在关联特性；并与现有的涡激振动频域预报理论相结合，发展振荡来流条件下具有“分时特性（time-varying）”（涡激振动的响应特性随时间发生变化）的柔性立管涡激振动预报方法。本文研究内容主要包括以下7项内容：
　　1)总结了平台运动诱发的立管动力响应、流致立管涡激振动以及平台运动诱发立管涡激振动的研究现状；
　　2)针对“平台运动能否诱发立管涡激振动？”这一问题，分别设计了“平台垂荡运动下大尺度钢悬链线立管试验”以及“振荡流下机理性自激振荡试验”；
　　3)介绍了系列试验数据分析理论、方法及其实现算例，共包含5大项内容：数据预处理、频域分析、时-频域分析、位移识别以及疲劳损伤计算；
　　4)对本文开展的机理性试验中的立管涡激振动进行了详细的分析，证实了振荡流场也能引起立管涡激振动，并揭示了其存在“分时特性”以及“迟滞”现象。研究了最大约化速度 R maxU以及KC数对振荡流下涡激振动的影响规律，发现振荡流下涡激振动的应变、位移、主导频率以及疲劳损伤均随 R maxU的增大（根据本文结果，在4~8以内）而明显增大；当KC数较大时（根据本文结果，50以上），振荡流下涡激振动的应变、位移、主导频率以及疲劳损伤基本不受KC数变化的影响；而当KC数较小时，由于“小KC数特性”，使得小KC数工况不存在“振幅调制”现象，其响应更稳定、疲劳损伤更大。此外，通过与定常流下的涡激振动对比发现：振荡流下的应变、位移的最大值均略大于等效的定常流工况结果，而应变、位移的RMS值则略小于定常流工况；振荡流下涡激振动响应频率有着明显的“分时特性”，即主导频率随时间变化，但定常流下涡激振动主导频率相对恒定；振荡流下涡激振动造成的疲劳损伤略小于定常流工况，但损伤在同一量级；
　　5)对本文开展的大尺度 SCR试验中的立管涡激振动进行了详细的分析，首次从响应频率的角度定量地证实了平台运动能诱发立管产生涡激振动，发现其本质上为振荡流诱导的涡激振动；其次揭示了平台运动下立管涡激振动的“分时特性”（响应幅值的“振幅调制”与响应频率的“主导频率时变性”均和振荡流下涡激振动一致）；并进一步指出了影响平台运动诱发涡激振动“分时特性”的3方面因素：1)瞬时面内等效振荡流场；2)轴向力变化；3)触地点移动；此外，通过与定常流下的涡激振动相比发现：平台运动诱发的面外涡激振动响应幅值基本与背景洋流工况相当，但由于其响应频率的“分时特性”，其响应频率范围更宽；此外平台运动诱发的涡激振动引起的疲劳损伤与等效的背景洋流工况、平台运动引起的面内全局动力响应造成的疲劳损伤相当，处于同一损伤量级；
　　6)定义了振荡流下立管涡激振动发展的3个阶段：“建立阶段”，“锁定阶段”以及“衰减阶段”；确定了最大等效流速Vn_max以及最大 KC数KCmax为平台运动诱发立管涡激振动的控制参数：当KCmax较大时（根据本文结论，至少大于39），平台运动诱发的立管涡激振动响应统计值、响应频率、疲劳损伤以及立管顶部张力变化幅值完全由最大等效流速n_maxV主导；当KCmax较小时，涡激振动由最大等效流速Vn_max及KCmax共同控制；通过研究建立了平台垂荡运动诱发钢悬链线立管涡激振动的频率响应模型，即涡激振动主导频率 f_domi、最大等效流速 Vn_max、泻涡对数N以及最大KC数KCmax之间均满足St=0.14的斯托劳哈尔关系。
　　7)对半经验涡激振动频域预报理论进行了详细介绍；提出了两种基于试验结果的涡激振动半经验频域修正模型：“最大流速法”及“分时流速法”；研究表明“分时流速法”通过将一个平台周期划分为若干个准静态等效流速剖面，同时考虑瞬时轴向力分布、瞬时悬垂段长度，从而近似预报平台运动诱发立管涡激振动的“分时特性”，对比表明基于“分时流速法”的预报结果与试验结果十分接近；对于平台运动较小的工况，在使用“分时流速法”预报时，需要适当减少等效流速剖面的个数以考虑其“小KC数特性”；
　　本文对揭示钢悬链线立管的涡激振动响应特性及其发生机理具有重要的意义；为往复振荡来流作用下柔性构件涡激振动特性的研究奠定基础，为深入认识深水钢悬链线立管的动力响应特性、进一步提高立管系统薄弱点处的设计安全性提供新的思路。

著录项

作者
王俊高;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科船舶与海洋工程
授予学位博士
导师姓名付世晓;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类水下管道;
关键词
平台运动; 涡激振动; 钢悬链线立管; 分时特性; 预报模型;

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