非线性附加质量和流体阻尼对涡激振动的耦合影响研究

发布时间：2020-04-28 04:26

【摘要】：海洋立管系统是海洋石油钻采装备中的重要组成部分,海底的油藏经采油树、防喷器、海洋立管等装置传输到FLNG或者穿梭游轮,立管还可以用于前期开采,作为钻井工具使用。海流经过立管时会在立管的两侧产生涡脱现象,从而使立管受到波动的力而发生振动,把这种现象称为涡激振动。涡激振动会造成立管的疲劳破坏,因而准确的预测涡激振动的预报模型能够对立管服役寿命的评估提供一定的工程参考价值。调研了国内外对涡激振动时域与频域内的研究方法,并且了解到国内外学者研究涡激振动时将附加质量系数与流体阻尼取为定值,针对涡激振动参数的准确取值问题展开了尾流阵子模型法推导与实验研究。理论推导出平均顶张力与约化速度的关系,并与经典实验数据对比分析。通过GITT(广义积分变换法)来解耦立管的振动方程与尾流振子方程,将实验研究获得的非线性附加质量和流体阻尼的变化趋势带入解耦后的方程,分析其对参数激励下立管模型涡激振动的影响。实验研究中在波流水槽中搭建海洋立管缩比模型,选用有效长度为1.2m,长细比为1000的PVC管材制作立管模型,两端铰连接。在立管模型表面的横流向(CF)与顺流向(IL)均匀粘贴两条光纤光栅传感器串,采用高精度波纹管称重传感器测量流体力,采用S型拉力传感器配合弹簧测量顶张力。采集的振动信号在MATLAB中经契比雪夫滤波,模态分析法,积分法等一系列处理,得出实验相关参数。通过水槽实验研究了约化速度、立管顶部张紧力、立管质量比分别对附加质量系数与流体阻尼的影响,分析涡激振动的振幅比、频率比、模态等特征参数来确定这两个参数对涡激振动的影响。实验证明附加质量系数和流体阻尼均为非线性参量;附加质量系数除了与约化速度有关,还和质量比、顶张力有关,顶张力会影响附加质量曲线的零点。流体阻尼与约化速度、振幅比有关,与质量比、顶张力的关系不明显。在有限元软件ANSYS中的CFX流体模块模拟圆柱绕流,针对不同流速、不同质量比、雷诺数,得出了涡街释放云图与立管升力系数曲线,计算数值模拟下的立管的附加质量与流体阻尼关系曲线,与理论研究进行对比研究。
【图文】：

及意义时会产生尾涡释放，涡街如图 1.1 所示，涡街振动现象叫做涡激振动（VIV）。涡激振动是部分，比如说钻井立管（DR）、顶部张紧式）等[1]，因为涡激振动可以使得立管在横流向（，甚至会在很短的时间内导致立管疲劳破坏。海况下的涡激振动疲劳损伤率，将会对海洋上对于不同形式的立管的涡激振动进行了数的预报模型。对现有的几种涡激振动预测模模型计算出来的结果差异巨大，这说明学者们要形成一个通用的、可靠的、适用于各种复杂究。而对于预报模型中的一些参数，，譬如拖曳体阻尼系数等，对于最终的结果有着非常重

中国石油大学（北京）硕士专业学位论文第 3 章 涡激振动实验研究附加质量和流体阻尼的实验测量是在中国石油天然气集团公司海洋工程重点实验室的波流水槽进行。水槽的尺寸为：长 46 m，宽 1.5 m，高 1.5 m，可以模拟各种规则波和不规则波，具有双向循环造流系统，水深 0.8 m 时最大流速可达 1.0m/s。该水槽同时配备了国内较为先进的实验设备，拥有数据采集仪、高精度压力传感器等设备，能够模拟立管涡激振动、S 型立管铺设、立管着陆点（TDP）力学分析、海工结构物波浪力试验、海工结构物基础冲刷及防护措施研究、海工结构物拖航安装等各种实验。波流水槽现场图和海洋立管模型实验架如图 3.1 所示。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2

【参考文献】

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本文编号：2643062