含内流海洋立管双向涡激振动特性及疲劳寿命研究
发布时间：2021-01-25 08:38
海洋立管作为海底资源开发系统中重要且最薄弱的组成部分,在洋流作用下易发生涡激振动导致疲劳破坏,造成严重的经济损失及环境污染,现已引起广泛关注。在开采工程中,除复杂海洋环境,立管极易受内部输流流体影响,加剧疲劳破坏,并且内外流共同作用下立管顺流向与横流向耦合效应会导致立管动力学特性更加复杂,因此,研究含内流立管双向涡激振动特性并全面预测其疲劳寿命对海洋工程的安全运营十分重要。本文在查阅大量文献的基础上,分析了涡激振动机理及常用疲劳寿命计算方法,结合已有研究结论,针对含内流海洋立管双向涡激振动问题,主要进行了三方面的研究:（1）基于Euler-Bernoulli梁和改进Van Der Pol尾流振子对立管涡激振动模型展开研究。综合考虑管内流体、横向和顺向耦合作用,建立了立管涡激振动预测模型;用Hermit插值函数和Newmark-β法在时域内迭代求解响应值;并将试验数据与模型计算结果进行对比验证,结果表明本文所建模型能有效预测海洋立管的涡激振动特性及响应。（2）针对内流流动下立管单自由度与双自由度涡激振动特性展开研究。将模型运用到不同内流、海流、内外流共同作用及顶张力等因素影响下立管振动特...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国近海油气田分布图
西安建筑科技大学硕士学位论文10图1.2本文研究技术路线图1.4研究的创新本研究的创新点有以下三点：（1）针对目前大多数研究忽略管内内流流动和顺流向涡激振动的不足，综合考虑管内流动流体、海流、顶张力等各种载荷和非线性拖曳力对立管涡激振动的影响及顺流向与横流向的耦合作用，选取VanDerPol尾流振子模型模拟流体对立管的作用力，构建了较为精确的立管涡激振动动力学模型。并且与试验数据吻合较好。
西安建筑科技大学硕士学位论文132海洋立管涡激振动研究综述2.1涡激振动基本原理研究综述2.1.1涡激振动机理分析在海洋工程领域当中，由于海洋工程结构的特殊性，基础构件大多采用圆柱形截面构件。当流体流经圆柱形截面构件时，会在圆柱形构件后方上下两侧交替性地发生漩涡的生成和脱落，使得结构在顺流向和横流向上产生流体力，有压力差的存在使得结构产生振动效应，如图2.1所示。同样，结构的振动效应会反作用于流场对流体出现的漩涡频率产生影响，一般情况下，我们把流场和结构之间的相互作用引发的振动响应问题称为“涡激振动”。涡激振动响应对海洋工程的安全性能影响较大，由于海洋工程的特殊性，流体荷载作为主要影响荷载对海洋结构各类构件都会产生影响，广泛存在与海洋工程的各类组成构件中。而随着深海资源开发技术的要求不断提高以及流体产生漩涡与脱落的过程十分复杂，因此必须深入了解尾流作用对结构振动响应的影响。图2.1流体对圆柱体的作用示意图（1）漩涡的形成当流体流经圆柱结构时，由于流体突然发生形变，与结构接触面各个质点的压力瞬时突变，质点流动压力突然增大，并沿着圆柱两侧向下传递，当雷诺数Re较高时，即流体此时受到的外界扰动较大，质点停滞压力会出现在圆柱体两侧，由于圆柱体的阻隔作用，使得流体在圆柱体前缘发生分离现象，分离处圆柱体的反作用力作用于流场，流场发生反向运动，此时流场与圆柱体的边界层在分离点处脱落，并在圆柱体两侧形成剪切流场，传递给下游，并在圆柱体后缘产生尾流区，由于剪切流场层与外侧流场层之间流速存在较大差异，导致两侧流场受力不均匀，容易形成漩涡且分布在剪切流场中，不断向下游进行传递，最终在尾流区
【参考文献】：
期刊论文
[1]双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理[J]. 杨骁,赵燕,杜晓庆,吴葛菲. 振动工程学报. 2020(01)
[2]中国海油近期国内勘探进展与勘探方向[J]. 谢玉洪,高阳东. 中国石油勘探. 2020(01)
[3]近40年中国近海波浪数据库的建立及极值分析[J]. 徐佳丽,时健,张弛,郑金海,张继生,陈天. 海洋工程. 2019(06)
[4]复杂载荷作用下立管触地段损伤管道的动力响应[J]. 代云云,周晶,李志刚. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2020(01)
[5]考虑顺流向和横流向耦合作用的海洋立管涡激振动响应特性[J]. 柳军,郭晓强,刘清友,王国荣,何玉发,李建. 石油学报. 2019(10)
[6]振荡流下细长柔性圆柱涡激振动数值分析[J]. 邓迪,付博文,万德成. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(04)
[7]深海立管VIV预测模型及影响因素研究[J]. 骆正山,蔡梦倩. 中国安全科学学报. 2019(07)
[8]海洋工程大变形柔性结构非线性力学分析模型[J]. 尉志源,仲伟东,张橙,康庄. 哈尔滨工程大学学报. 2019(10)
[9]海洋立管内流流动分析及疲劳寿命预测[J]. 骆正山,蔡梦倩. 中国安全生产科学技术. 2019(04)
[10]两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究[J]. 魏东泽,白兴兰,黄维平,常爽. 中国造船. 2019(01)
本文编号：2998926
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国近海油气田分布图
西安建筑科技大学硕士学位论文10图1.2本文研究技术路线图1.4研究的创新本研究的创新点有以下三点：（1）针对目前大多数研究忽略管内内流流动和顺流向涡激振动的不足，综合考虑管内流动流体、海流、顶张力等各种载荷和非线性拖曳力对立管涡激振动的影响及顺流向与横流向的耦合作用，选取VanDerPol尾流振子模型模拟流体对立管的作用力，构建了较为精确的立管涡激振动动力学模型。并且与试验数据吻合较好。
西安建筑科技大学硕士学位论文132海洋立管涡激振动研究综述2.1涡激振动基本原理研究综述2.1.1涡激振动机理分析在海洋工程领域当中，由于海洋工程结构的特殊性，基础构件大多采用圆柱形截面构件。当流体流经圆柱形截面构件时，会在圆柱形构件后方上下两侧交替性地发生漩涡的生成和脱落，使得结构在顺流向和横流向上产生流体力，有压力差的存在使得结构产生振动效应，如图2.1所示。同样，结构的振动效应会反作用于流场对流体出现的漩涡频率产生影响，一般情况下，我们把流场和结构之间的相互作用引发的振动响应问题称为“涡激振动”。涡激振动响应对海洋工程的安全性能影响较大，由于海洋工程的特殊性，流体荷载作为主要影响荷载对海洋结构各类构件都会产生影响，广泛存在与海洋工程的各类组成构件中。而随着深海资源开发技术的要求不断提高以及流体产生漩涡与脱落的过程十分复杂，因此必须深入了解尾流作用对结构振动响应的影响。图2.1流体对圆柱体的作用示意图（1）漩涡的形成当流体流经圆柱结构时，由于流体突然发生形变，与结构接触面各个质点的压力瞬时突变，质点流动压力突然增大，并沿着圆柱两侧向下传递，当雷诺数Re较高时，即流体此时受到的外界扰动较大，质点停滞压力会出现在圆柱体两侧，由于圆柱体的阻隔作用，使得流体在圆柱体前缘发生分离现象，分离处圆柱体的反作用力作用于流场，流场发生反向运动，此时流场与圆柱体的边界层在分离点处脱落，并在圆柱体两侧形成剪切流场，传递给下游，并在圆柱体后缘产生尾流区，由于剪切流场层与外侧流场层之间流速存在较大差异，导致两侧流场受力不均匀，容易形成漩涡且分布在剪切流场中，不断向下游进行传递，最终在尾流区
【参考文献】：
期刊论文
[1]双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理[J]. 杨骁,赵燕,杜晓庆,吴葛菲. 振动工程学报. 2020(01)
[2]中国海油近期国内勘探进展与勘探方向[J]. 谢玉洪,高阳东. 中国石油勘探. 2020(01)
[3]近40年中国近海波浪数据库的建立及极值分析[J]. 徐佳丽,时健,张弛,郑金海,张继生,陈天. 海洋工程. 2019(06)
[4]复杂载荷作用下立管触地段损伤管道的动力响应[J]. 代云云,周晶,李志刚. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2020(01)
[5]考虑顺流向和横流向耦合作用的海洋立管涡激振动响应特性[J]. 柳军,郭晓强,刘清友,王国荣,何玉发,李建. 石油学报. 2019(10)
[6]振荡流下细长柔性圆柱涡激振动数值分析[J]. 邓迪,付博文,万德成. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(04)
[7]深海立管VIV预测模型及影响因素研究[J]. 骆正山,蔡梦倩. 中国安全科学学报. 2019(07)
[8]海洋工程大变形柔性结构非线性力学分析模型[J]. 尉志源,仲伟东,张橙,康庄. 哈尔滨工程大学学报. 2019(10)
[9]海洋立管内流流动分析及疲劳寿命预测[J]. 骆正山,蔡梦倩. 中国安全生产科学技术. 2019(04)
[10]两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究[J]. 魏东泽,白兴兰,黄维平,常爽. 中国造船. 2019(01)
本文编号：2998926
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