動(dòng)態(tài)海洋柔性立管的渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)分析研究.pdf

1、海洋立管作為連接海面作業(yè)平臺(tái)與海床井口的關(guān)鍵構(gòu)件,在海洋油氣勘探開采技術(shù)飛速發(fā)展的今天,越來越受到關(guān)注。隨著各大石油廠商將目光逐漸投向更深的海域,柔性立管的諸多優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)。在深水環(huán)境中,柔性立管極易受到復(fù)雜海況的影響(如海流、波浪作用)進(jìn)而出現(xiàn)一些特有的動(dòng)力響應(yīng)。一定的流速范圍內(nèi),立管的尾流區(qū)將會(huì)發(fā)生渦泄脫落現(xiàn)象,而產(chǎn)生渦激振動(dòng)(Vortex Induced Vibration,簡(jiǎn)稱 VIV)。渦激振動(dòng)現(xiàn)象的直接表現(xiàn)為立管在順?biāo)鞣较?/p>

2、、垂直水流方向的周期性振動(dòng)。渦泄脫落頻率同結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)將產(chǎn)生共振,這使得振幅將極大的增加,長(zhǎng)期將使得立管發(fā)生疲勞破壞,一定程度上制約著海洋工程向深水的發(fā)展。
　　柔性立管實(shí)際作業(yè)過程中,由于受到流體的作用、內(nèi)部張力、海面結(jié)構(gòu)物的偏移慢漂的影響而表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特性。本文依托于國外某海洋立管生產(chǎn)廠商委托的柔性立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),以等比例模型實(shí)驗(yàn)做為主要的研究手段。主要研究工作如下:
　　1)本文以經(jīng)一定比例縮小后的柔性

3、立管模型為研究對(duì)象,分析兩端鉸接固定的柔性立管在不加載外部浮體結(jié)構(gòu)時(shí) VIV動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)。通過施加不同頂端張力,在一定流速區(qū)間內(nèi)進(jìn)行全程的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,對(duì)該柔性立管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行較為全面的分析;在揭示其渦激振動(dòng)形成機(jī)理的同時(shí),重點(diǎn)對(duì)目標(biāo)立管的共振區(qū)域進(jìn)行研究,分析立管進(jìn)入共振區(qū)域的流速及其他條件。
　　2)本文對(duì)動(dòng)態(tài)柔性立管的邊界條件進(jìn)行分析,在滿足實(shí)驗(yàn)要求的同時(shí)進(jìn)行邊界條件相應(yīng)簡(jiǎn)化處理。完成頂端的位移施加裝置后

4、,進(jìn)行了施加頂端位移的柔性立管在相同條件下的 VIV動(dòng)態(tài)響應(yīng)探索性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一方面可同兩端鉸接的柔性立管進(jìn)行對(duì)照比較,進(jìn)而分析動(dòng)態(tài)特性在渦激振動(dòng)現(xiàn)象過程中的影響;另一方面可作為重要的實(shí)驗(yàn)成果為實(shí)際工程提供參考,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
　　3)對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變變化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),本文用 MATLAB等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行振動(dòng)幅值的時(shí)域分析;采用FFT變換(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)進(jìn)行應(yīng)變譜分析

5、,進(jìn)而得出目標(biāo)位置、目標(biāo)方向的振動(dòng)頻率。振動(dòng)幅值及振動(dòng)頻率做為本文關(guān)于 VIV動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要分析介質(zhì),可對(duì)柔性立管的實(shí)時(shí)動(dòng)力特性進(jìn)行較為精確的描述,進(jìn)而從中歸納出柔性立管的廣適用性動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過程中,選用的攝像裝置將對(duì)柔性立管的渦激振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行全程的捕捉,包括水面攝像、及水下攝像。借助示綜劑對(duì)尾流區(qū)渦泄的標(biāo)識(shí),水面攝像可對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中立管后方尾流區(qū)的渦泄形態(tài)進(jìn)行有效捕捉;水下攝像則主要對(duì)立管在水下的實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。其部分資料將作為