冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动试验研究

为了给海底管线服役期间的安全评估提供科学依据,基于水弹性相似关系,对海底管线服役期间常见水流环境条件下,冲蚀地形上悬跨弹性海底管线涡激振动进行试验研究.采用粘贴于管线内壁的应变片测量振动过程中的应变.通过与平底地形上相关研究结果进行对比分析发现:冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动强度与振动频率均受到冲蚀地形的影响;振动强度随水流折减速度的变化比平底地形要快,在相对冲坑长(悬跨长)L/D为20与L/D为35时涡激振动强度的差别较平底地形上悬跨管线要小得多;管线垂向振动频率随冲蚀地形冲坑长度的减少而增大;冲蚀地形上悬跨管线周围的斯特劳哈尔数St在0.21左右.比相同雷诺数下平底地形上悬跨管线周围St数略大.     

地震和波流作用下海底悬跨管线模型实验研究

利用水下地震-波流联合模拟实验系统研究了海底管线在波浪、水流和地震作用下的动态响应特征。实验中考虑了有无地震作用、悬跨长度、波浪高度、水深、水流速度以及是否满管状态等因素。通过DDP动态数据后处理软件对实验结果进行处理分析,得到海底悬跨管道的动态响应特性。实验结果表明:在浅海海域,悬跨管线的动态反应受波浪及水深变化的影响不明显,悬跨长度是影响管道动态响应的主要影响因素;悬跨管线在地震与波流共同作用下的反应与仅地震作用下的应变存在差别;在波浪力作用下,空管时管线的应变要小于满管时的情况。     

近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律标识码在升速流动和远离壁面条件下获得的. 而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离标识码体不同的响应特征. 本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置. 基于量纲分析,开展系列水槽标识码验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临标识码临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应. 采用自下向上激光扫射的 PIV 流场测量系统,对比分析了固定柱体标识码振动柱体的绕流特征. 实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但标识码速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度. 采用上临界与下临界约标识码差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势. 涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃标识码阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.      

近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律大多是在升速流动和远离壁面条件下获得的.而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离壁面柱体不同的响应特征.本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置.基于量纲分析,开展系列水槽模型实验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临界和下临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应.采用自下向上激光扫射的PIV流场测量系统,对比分析了固定柱体和涡激振动柱体的绕流特征.实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但流动降速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度.采用上临界与下临界约减速度差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势.涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃,振幅阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.     

柔性圆柱涡激振动流体力系数识别及其特性

涡激振动是诱发海洋立管、浮式平台系泊缆和海底悬跨管道等柔性圆柱结构疲劳损伤的重要因素.目前,海洋工程中用于柔性圆柱涡激振动预报的流体力系数主要来源刚性圆柱横流向受迫振动的实验数据,存在一定缺陷和误差.本文综合考虑横流向与顺流向振动耦合作用,建立了柔性圆柱涡激振动流体力模型,运用有限元法和最小二乘法确定升力系数、脉动阻力系数和附加质量系数.为了准确识别柔性圆柱涡激振动流体力系数,设计并开展了拖曳水池模型实验,实验用柔性圆柱模型的质量比为1.82,长径比为195.5.通过与刚性圆柱流体力系数对比,深入分析了柔性圆柱流体力系数的特性.结果表明:柔性圆柱在一阶模态控制区,流体力系数随约化速度变化趋势与刚性圆柱大致相似;二阶模态控制区,升力系数和脉动阻力系数显著增大;附加质量系数在响应频率较低时与振动位移的相关性增强;当响应频率较低时,振动位移较大区域为能量耗散区,当响应频率较高时,振动位移较大区域为能量输入区.     

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验,将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析,根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明,POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成;流场中大尺度的涡旋发展为涡对,对波状主流的脉动频率产生影响;根据涡波流场中的驻点和鞍点,获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征;最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组,重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征,有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息,保留了PIV测量流场的主导特征。     

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法. 鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究. 先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解. 对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析. 分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成. 当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导. 当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导. 随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.      

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验,将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析,根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明,POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成;流场中大尺度的涡旋发展为涡对,对波状主流的脉动频率产生影响;根据涡波流场中的驻点和鞍点,获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征;最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组,重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征,有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息,保留了PIV测量流场的主导特征。     

两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

目前细长柔性圆柱体涡激振动响应的研究方法主要包括实验方法、计算流体动力学方法以及半经验模型方法.鉴于实验方法研究成本较高、计算流体动力学方法计算时间较长,本文基于尾流振子模型对线性剪切来流下两端铰接的细长柔性圆柱体涡激振动响应特性进行了半经验模型方法研究.先建立了柔性圆柱体结构振子以及尾流振子之间的耦合模型,紧接着基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解.对不同剪切参数下柔性圆柱体涡激振动响应的振动波长、振动频率、振动位移以及响应频率随时间的变化特性等参数进行了分析.分析结果表明:圆柱体的涡激振动响应由驻波和行波混合组成.当无量纲弯曲刚度较小时,在圆柱体两端附近,驻波占主导;而在圆柱体中间段附近,行波占主导.当无量纲弯曲刚度较大时,在圆柱体整个长度区间上均为驻波占主导.随着剪切参数的增大,振动位移以及振动波长均逐渐减小,而振动频率和频率带宽均逐渐增大.     

多用途输液立管涡激振动实验研究与疲劳分析

为研究输运不同流体的海洋立管在海流作用下的振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验分别将四种不同质量比的立管模型竖直固定于支架上,立管外部承受不同速度的流体作用,上端施加顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换对实验数据进行去噪处理,利用振型分解法求解立管各点涡激振动位移。考察输运不同流体对立管自振频率以及涡激振动响应的影响,并利用雨流计数法对模型进行疲劳分析。实验结果表明,随质量比增加立管涡激振动频率降低;低质量比的立管更容易产生大位移。     

海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

Fluid-solid coupling and dynamic response of vortex-induced vibration of slender ocean cylinders

对近几十年来国内外在涡激振动的基础研究包括机理认识和动响应分析等方面的进展进行了论述,尤其针对海洋油气平台中的立管、隔水管等细长柔性结构的涡激振动.描述了涡激振动这种典型的非线性流固耦合现象所具有的特征,包括自激、自限制、展向相关、尾迹水动力与结构动力的流固耦合等及其主要影响参数.介绍了目前常用的结构响应预测方法和相关实验.通过讨论当前理论研究和实际工程中的热点问题,诸如多模态宽带振动、浮体运动与水下立管的耦合、响应抑制措施、双向振动、高雷诺数下的大尺度物理实验等,对今后该领域的研究方向进行了力所能及的展望.     

海洋结构物摩擦学问题的研究进展

海洋结构物主要包括海上钻井平台、油气开采平台、FPSO、海底输油管线及海上大型储油罐等大型海上结构物.海洋结构物总是处于波浪、海流、风暴、海冰等严峻海洋环境中,并受到海生物污损、海洋腐蚀、磨损等多方面因素相互作用的影响,摩擦学问题无处不在.论文针对海洋平台结构、流体处理及运输设备、定位设备及作业设备四方面的摩擦学问题进行论述,主要介绍了海洋平台结构、管道系统及海水泵、锚链及螺旋桨、钻井套管及电潜泵等海工设备的工作特点,概述了国内外关于这类海工设备的摩擦学问题的研究现状,并对海洋结构物的摩擦学研究重点进行了展望.     

Three-dimensional numerical simulation of vortex-induced vibration of an elastically mounted rigid circular cylinder in steady current

Vortex-induced vibration (VIV) of an elastically mounted rigid circular cylinder in steady current is investigated by solving the three-dimensional Navier–Stokes equations. The cylinder is allowed to vibrate only in the cross-flow direction. The aim of this study is to investigate the variation of the vortex shedding flow in the axial direction of the cylinder and to study the transition of the flow from two-dimensional (2D) to three-dimensional (3D) for VIV of a cylinder. Simulations are carried out for a constant mass ratio of 2, the Reynolds numbers ranging from 150 to 1000 and the reduced velocities ranging from 2 to 12. The three-dimensionality of the flow is found to be the strongest in the upper branch of the VIV response and weakest in the initial branch. The 2S and 2P vortex shedding modes are found to coexist along the cylinder span in the upper branch, leading to strong variations of the lift coefficient in the axial direction of the cylinder. The difference between the flow transition from 2D to 3D in the VIV lock-in regime and that in the wake of a stationary cylinder is identified. The transition mode B found in the wake of a stationary cylinder is also found in the wake of a vibrating cylinder. The critical Reynolds number for flow transition from 2D to 3D of a cylinder undergoing cross-flow VIV at a reduced velocity of 6 is found to be greater than that for a stationary cylinder. For a constant reduced velocity of 6, the wake flow changes from 2D to 3D as the Reynolds number is increased from 250 to 300. Some 2D numerical simulations are performed and it is found that the 2D Navier–Stokes (NS) equations are not able to predict the VIV in the turbulent flow regime, while the 2D Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations improve the results.     

海底管道的弹塑性稳定性和屈曲传播

本文根据我国南海海底输油气铺管的要求系统分析了海底管道在弯曲与外水压力共同作用下的弹塑性稳定性和屈曲传播.研究了管道的极值型屈曲和分枝型屈曲.在考虑管道的初始非圆度和材料的物理非线性的情况下提出了临界屈曲载荷的计算方法.综述和评论了屈曲传播现象的本质和各种计算方法.介绍了我们所进行的全尺寸管道实验.在分析理论结果时与现行的有关设计规程进行了比较和评论.     

Effect of internal flow on vortex-induced vibration of risers

Although there are many studies dedicated to the problem of vortex-induced vibration (VIV) of marine risers, VIV experiments with internally flowing fluid have not been carried out before. In order to investigate this area, the present experiment with an internally flowing fluid and external current was designed. The riser was towed in the water flume with varying internal flow speeds. The tests in still water and in a current were conducted successfully. Various measurements were obtained including the frequency responses and the time-domain tracing of in-line and cross-flow responses. The experimental results exhibit several valuable features. First, with an increase in internal flow speed, the response amplitude increases while the vibration frequency decreases. Secondly, internally flowing fluid lessens the correlation of the vibration between different sections. In addition, by plotting both in-line strain and cross-flow strain simultaneously, a figure-of-eight for bending strain is also observed, and the trajectories in different cycles are more concordant with the increase of internal flow speed.     

Numerical simulation of vortex-induced vibration of a circular cylinder at low mass-damping using RANS code

Fundamental research on vortex-induced vibration (VIV) of a circular cylinder is still needed to build more rational VIV analysis tools for slender marine structures. Numerical results are presented for the response of an elastically mounted rigid cylinder at low mass damping constrained to oscillate transversely to a free stream. A two-dimensional Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) code equipped with the SST k−ω turbulence model is applied for the numerical calculations. The numerical results are compared in detail with recent experimental and computational work. The Reynolds-averaging procedure erases the random disturbances in the vortex shedding process, so that the comparison between experimental data and the numerical results obtained by RANS codes may reveal some random characteristics of the VIV response. How random disturbance affects the observation in the experiments is discussed in this paper and the issues influencing the appearance of the upper branch in experiments are especially investigated. The absence of the upper branch in RANS simulations is explained in depth on account of discrepancies, which exist between experiments and RANS simulations. In addition, the formation of the 2P vortex shedding mode and its transition through the lock-in region are well reproduced in this investigation.     

DNS-DERIVED FORCE DISTRIBUTION ON FLEXIBLE CYLINDERS SUBJECT TO VORTEX-INDUCED VIBRATION

We use direct numerical simulation (DNS) based on spectral methods to simulate turbulent flow past rigid and flexible cylinders subject to vortex-induced vibrations (VIV). We present comparisons of amplitude, and lift and drag forces, at Reynolds number 1000 for a short and a long cylinder, and we examine differences between a traveling wave response and a standing wave response. The DNS data suggest that the often-used empirical formula proposed by Skop, Griffin & Ramberg in 1977 overpredicts the drag coefficient. We propose an appropriate modification and present preliminary results that indicate that low-dimensional modeling may be an accurate and efficient approach in predicting forces in VIV. Given the lack of any benchmark experiments in VIV currently, the DNS results presented here, both distributions as well as span- and time-averaged quantities, should be helpful to experimentalists and modelers.