基于流固耦合的多相流态输运管道振动特性研究

发布时间：2020-08-25 14:16

【摘要】：水下采油管道中一般为油、气、水混合的多相流动,气相和液相在流动过程中会逐渐混合,形成各种流型,由此引发管道振动。管道的大幅振动,会造成管道的破坏,从而降低生产效率,严重时可能对环境产生不可预估的污染,因此对于多相流引起管道振动问题的研究是十分必要的。本文从管道中输送单相流出发,通过Hamilton原理中的能量守恒,建立了考虑内压的,一端固支一端简支的输流管道流固耦合振动方程,并进行积分求解,得出了管道的一二阶固有频率及临界流速的表达式,并与DNV规范中的管道频率求解公式进行了对比,结果误差较小。然后,通过Maple软件编程计算得出内流流速、内压与管道固有频率之间的关系。发现随着内流速度的增大,管道振动固有频率逐渐减小。随着管道内压的增大,管道振动固有频率也逐渐减小。其次在单相流管道自由振动方程的基础上,运用两相滑速比概念,推导出一端简支一端固支的多相流管道自由振动方程。并将外流场的作用简化为附加质量施加在管道上,对考虑附加质量及不考虑附加质量的固有频率结果进行对比,发现当考虑附连水质量之后,管道的固有振动频率变小。之后,分别讨论了管道参数及流体参数对于频率的影响。另外还进行了管道的振动模态分析,通过与公式计算结果进行对比,验证了推导公式的合理性。最后利用ANSYS CFX模块进行复杂流型下管道流固耦合振动分析,通过设置不同的入口气液相条件,监测管道关键点的应力及位移变化,得出考虑流型变化情况下管道的振动规律。
【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】：TE973
【图文】：

管线布置,形式

南海地区汇集了我国大部分的油气资源，虽然在该地区的油气储存量丰富，但是该区域的海洋深度深，海洋环境复杂恶劣，油气资源性质特殊，难度大，所以对于开采设备及管道提出了更严格的要求。随着海洋油气开采逐渐向深海迈进，油气开采设备及管道虽然面临着严峻战，但与此同时也迎来了一波快速的发展。目前常用的海洋平台包括张力腿[3]、半潜式平台[4]、Spar 平台[5]、FPSO[6]。一方面，海洋平台时时刻刻都面临自各个方向风浪流载荷的侵袭，受力的不确定性及周期性，使其更加容易发效，而立管系统是连接平台及海底管线的重要部分，其使用环境也是十分恶仅需要面临平台的运动，还要面临来自不同深度的海流的冲击，导致立管在的深度会产生方向各异的振动，这些振动通过累积效应，极有可能导致立管劳破坏；另一方面，由于海洋深度的增加，立管的长度不可避免的需要增长立管的长径比的增大直接导致了管道端部受到的力会更加复杂，力矩会大大。因此，海洋油气开采对于立管系统的发展也提出了更高的要求。

力学模型,立管,单相流,耦合振动

第2 章单相流作用下立管耦合振动第 2 章单相流作用下立管耦合振动管耦合振动方程的流固耦合问题一直以来都是研究上的一个难点，目前有许多的专面都进行了研究，也取得了不错的成果。其中 Paidoussis[6]对该方面统的总结阐述，对于研究该类问题具有很大的参考意义。本章研究水平输流直管，立管的端部条件为一端固支一端简支，立管的力学所示。

二阶,固有频率,立管,振动频率

固支-固支 a=22.4 a=61.7 a=121将 v=0m/s 代入式（2.16）及（2.17）得到管道的一阶及二阶固有频率，与 DNV结果进行比较，如表 2.2 所示。表 2.2 两种计算方法得到的管道固有频率比较Table 2.2 Comparison of natural frequencies of pipeline obtained by two methods计算依据一阶固有频率二阶固有频率DNV 2.112 6.879推导公式 2.027 5.011.2 内流流速对于管道振动固有频率影响根据公式（2.14）可得管道振动固有频率与内部流速的关系如图 2.2。

【参考文献】