考虑三维全场流固耦合的海洋管道涡激振动及控制

发布时间：2020-04-27 17:33

【摘要】：海洋管道是海洋油气开发工程的关键组成结构,其稳定性与耐久性直接关系到油气开发的安全、经济、能源供给的稳定以及海洋生态环境的保护。海洋管道因其所属海洋环境的复杂性,容易在洋流作用下发生涡激振动而导致结构的疲劳破坏,带来巨大的经济损失并且造成海洋环境污染,因此针对海洋管道开展洋流作用下涡激振动的研究具有重要的社会意义和科学价值。目前管道涡激振动方面的理论模型主要包括梁杆理论和流体荷载的简化模型、考虑流场作用的二维质量-弹簧-阻尼模型以及考虑三维全场流固耦合的三维实体管道模型。受到计算效率的限制,目前大部分研究采用前两种研究方法,利用管道和流体的简化模型开展结构振动分析。而本文采用考虑全场流固耦合的三维实体管道模型,其中,结构方面使用实体单元,流体方面则基于任意拉格朗日欧拉(ALE)方法求解在持续变形的几何域中的流体流动。模型管使流体在管周分离,而流体对结构壁施加了由粘性阻力和流体压力产生的作用力,所以模型管在流体载荷的作用下会发生变形,由此导致流体也会沿着新的路径流动,流体与结构的相互作用就如此循环进行。三维实体单元能够更为精确地描述海洋管道的结构特性以及以振动控制为目的的附属抑振设施,全流体场的模拟则更为真实地反应流体对结构的作用,为管道涡激振动及控制提供精度更高的数值仿真模型。本文针对海洋管道涡激振动控制的课题主要做了以下工作:基于COMSOL软件建立了考虑三维全场流固耦合的海洋管道涡激振动有限元模型,从跨中横流向位移、顺流向位移以及升阻力系数等方面对管道的涡激振动响应进行了分析研究。研究结果表明随着约化速度的增长,横流向位移幅值先增大再减小,呈现出明显的涡激共振特征,可为后文研究整流罩和分隔板在振动控制中的仿真数值模拟提供准确参照。研究了不同特征尺寸的整流罩对海洋管道涡激振动响应的影响,探讨了降低振动的方法。结果表明整流罩的加入改变了结构尾流区的旋涡脱落模式进而影响了流体荷载,使得管道结构的涡激振动锁定区起始点被向后推移并且锁定区的跨度也被拉长。加入整流罩后结构的自振频率较裸管变化很小,因此相同流速下可采用与裸管相同的约化速度来对比分析整流罩的抑振效果。研究表明,Lf/D=0.5的整流罩在位移响应幅值的抑制上表现最佳,而Lf/D =0.75的整流罩则有着最好的削弱升力系数幅值的效果,Lf/D=1的整流罩在整个低中高流速范围内对阻力系数幅值的平均削弱效果最优。其中Lf是整流罩长度,D是管道直径。随后进一步探究了不同尺寸的分隔板对海洋管道涡激振动响应的影响,得到了最优的分隔板长度,研究结果表明分隔板的加入改变了结构尾流区的旋涡脱落模式进而影响了流体荷载,且加装分隔板后结构横流向振动至最大幅值需要更大的流速。分隔板的加入对结构的自振频率有一定的影响,在较高流速下的约化速度与同等流速下的裸管有明显差异。Lf/D=0.5的分隔板在位移响应幅值的削弱上表现最佳,而LD=1的分隔板对阻力系数幅值和升力系数幅值的平均削弱效果最优。其中Lp是分隔板长度,D是管道直径。从位移幅值和升阻力系数幅值的削弱效果上来看,分隔板的综合表现优于整流罩,但不同尺寸的分隔板对位移幅值和升阻力系数的幅值削弱效果有着不同的偏重。因此实际工程中应视具体的海洋环境与结构参数并考虑工程目的,针对性地对位移和升阻力的控制设定优先级来选择最合适的减振装置的尺寸。
【图文】：

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１绪论逡逑１．１研究背景与意义逡逑随着世界经济的持续发展和人口的高速增长，能源的需求与消耗也随之高速逡逑增长。联合国经济和社会事务部预测世界人口将从２０１５年的７３亿增加到２０５０逡逑年的９７亿。２０１４年，占世界人口约１４％的经济合作与发展组织（ＯＥＣＤ）国家逡逑消耗了全世界约４３％的能源，人均能耗是非ＯＥＣＤ国家的３倍［｜］。煤炭、石油、逡逑天然气、核能、水电、可再生能源、地热在２０１４年世界一次能源消费结构中的逡逑占比分别为邋３０．０３％、３２．５７％、２３．７１％、４．４４％、６．８０％、２．１１％和邋０．８９％，其中世逡逑界石油消耗量为４２．１１＊１０８ｔ。２０世纪６０年代时世界石油年新增储量已达顶峰，逡逑此后半个世纪则一直呈下降趋势。预计２０３５，邋２０５０年石油消费在世界一次能源逡逑消费的占比将分别为２７．７４％和２５％［２］。逡逑６０％逡逑一ＹＹ汕一人然＇（邋ｍｉ邋一一核徒一一水眭邋Ｋ？他拖化心‘能o<逡逑

海洋管道,海洋工程结构,油气田开发,管道系统

传统的固定式平台难以适应，取代它的则是浮式生产系统，如ＦＰＳＯ、张逡逑力腿平台、平台及半潜式平台等。但是不管浮式生产系统采用何种类型，海洋管逡逑道系统都会是诲洋结构工程中的重要组成部分，如图１．２所示是深水开发中的海逡逑洋平台与管道系统［８６］。逡逑＾邋逦逡逑图１．２深水开发中的海洋平台与管道系统［８６］逡逑海洋管道在海洋工程结构中的关键地位源于要解决油气田开发布局设计中逡逑如何在油田间，油田与陆地终端间进行油气水的安全经济运输的核心问题。海洋逡逑管道用途多样，比如：运输管，产品输送检验生产管，水与化学制品注射管，生逡逑产管和立管之间的连接短管。管道结构横截面形式多样，可分为：单壁管、管中逡逑管（Ｐｉｐｅ邋ＩｎＰｉｐｅ，，ＰＩＰ）和集束管等。其中单壁管最常见，用于输出、油田生产检逡逑验、注水等，可见其用途广泛。管中管与集束管则具有同心的内管和外管，内管逡逑除了运输流体还要兼顾绝热，外管则为内管提供物理保护。墨西哥湾的高温高压逡逑油藏要求使用管中管和集束管在海底回接平台，因为其绝热要求很高。逡逑海洋管道在正式使用并发挥工程效益前
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2

【参考文献】