海洋深水立管涡激振动实验研究的发展状况.pdf

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1、北京石油化工学院学报第22卷第2期Vo1．22NO．2JournalofBeijingInstituteof2014年6月Jun．2014Petro—chemicalTechnology海洋深水立管涡激振动实验研究的发展状况胡勇，代峰燕。，周灿丰，杨洋，焦向东(1．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124；2．北京石油化工学院能源连接工程研究中心，北京102617)摘要：在海洋环境中，涡激振动(VIV)是流体固体藕合作用的结果，也是流体力学和结构力学的融合；但是耦合的作用力会降低立管寿命，立管一旦发生疲劳破坏，原油的

2、泄漏不仅会使工程蒙受损失，还将引发严重的环境污染和二次灾害，因此深海立管的涡激振动在立管设计中是一个需要考虑的重要因素，近几十年里科研人员在此方面做了大量的研究工作。笔者以海洋立管为研究对象，总结了在流体和结构方面国内外学者对海洋立管涡激振动上的研究成果。为更进一步的海洋立管涡激振动研究提供了理论依据。关键词：海洋立管；涡激振动；耦合中图分类号：P754文献标志码：A海洋立管涡激振动汇集了力学领域的难点、重点问题，如紊流、流动分离、剪切层的不完全转捩以及分离点的漂移等]。且流体运动与结构响应的高度耦合更增加了解决这一问题的难度。至今

3、学术界尚未彻底解决这一难题。笔者总结归纳了国内外在海洋立管涡激振动方面的试验成果，并深度分析了海洋立管涡激振动图1涡激振动实验结构研究的难点。1．1流体介质对涡激振动的影响1涡激振动耦合在涡激振动实验中，立管内部一般填充空气、水和油等流体介质I。在空气中进行的涡在涡激振动实验研究中，流体和结构往往是激振动实验，空气密度较小，质量比较大，立管一个整体的动力系统，处理好实验中的流体和结内空气的质量对立管的自振频率影响较小，产构耦合可以更好的研究立管的涡激振动现象]。生的锁定频率和在空气中的自振频率相近；实在涡激振动过程中，流体的动力影响

4、着立管的加验需要上千次振动才能达到立管的最大幅值。速度、速度和位移，而且立管的加速度、速度和位然而，涡激振动实验中，在立管内部充满水的情移是立管质量比、阻尼和雷诺数等耦合的结果，况下，水的密度与立管的密度相差不大，质量比所以实验外在变化因素将从流体与结构两方面较低，锁定频率在水的影响下会有别于涡激脱考虑。涡激振动实验结构如图1所示。落频率和自振频率而产生一个新值]，同时在此实验只需要十几次的振动就能达到立管的最收稿日期：2O131028基金项口：北京市自然科学基金项目，北京市教育委员会科大幅值。油一般不被用于涡激振动实验中，因技计划

5、重点项目(KZ201210017017)；北京市属高校创新团队为其黏性大、成本高、污染大、易燃等。建设提升计划(1DHT20130516)。作者简介：胡勇(1989～)，男，硕士研究生，主要从事现代测1．2结构尺寸对涡激振动的影响控技术与仪器，Email：huyony@bipt．edu．CFI；代峰燕(1972)，男，博士，副教授，主要从事现代测控技术与仪器，涡激振动实验的立管模型分成无比尺和有Email：daifengyan@bipt．edu．cn。比尺2大类[。无比尺的立管长细比一般较第2期胡勇等．海洋深水立管涡激振动实验研究的

6、发展状况51大，多为细长柔性立管，而有比尺的立管长细比振动和2种振动的共同作用3种不同类型实一般较小，大部分为刚性立管。验。自激振动实验需要立管弹性支撑，流体流有比尺立管模型的涡激振动实验一般为刚过立管时在背流侧产生周期性的漩涡脱落引发性振动，立管的振动幅度较小，频率较大，立管了立管的振动]。受迫振动实验需要外力的作尺寸小，实验附加设备成本低，实验数据容易准用，实验人员可以准确的设置立管在水中的振确获得，数据分析的难度小等。动频率和振幅，实验可控性较强；且实验中立管涡激振动实验中无比尺立管模型的长细比不需要弹性支撑。很大，而且实验成

7、本高，测量点多，数据繁杂且2．1弹性支撑的有比尺立管自激振动实验分析困难，因此目前国内外也只有少数具有研实验中弹性支撑的有比尺立管自激振动有究条件的大学或研究机构可以开展这类实验。3种情形。(1)立管只在横向振动；(2)立管只在顺流向振动；(3)立管在横向和顺流向同时自2有比尺立管涡激振动实验由振动。3种情形的简化示意图如图2所示。有比尺立管实验可以分为自激振动、受迫fa)横向振动(b)顺流向振动(c)横向和顺流向同时振动图2自激振动实验简图FengE6(1968)首次研究了弹性支撑有比低质量比情况的立管涡激振动方面展开了系统尺立管

8、实验，此次实验在风洞中进行，实验中立的研究，对涡激振动做出了具有划时代意义的管只允许横向自由振动，并且能够增加阻尼。工作。1999年，Khalak和Williamson_9在康实验给出了无因次振幅(A*)随约化速度(【，r)奈尔大学的