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带浮力块的柔性立管涡激振动特性研究

作　者: 李琳
导　师: 杨建民；付世晓
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 涡激振动柔性立管浮力块螺旋列板试验研究数据处理
分类号: TB123
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

细长海洋结构物,例如海底管道、电缆和海洋立管置于一定速度的来流中,极易发生“涡激振动”(VIV),对海洋立管的观测表明,由海流引起的涡激振动已经成为导致立管整体疲劳损坏的最主要因素之一。对于深水立管而言,由于水流的横向载荷作用和自身重力作用,立管需要足够大的预张力来维持自身的稳定性和强度。然而由于顶部张力器附近立管本体和接头强度的限制,必须设置浮力块对立管提供分布式浮力,以减小立管系统湿重、降低钻井装置性能的要求。随着海洋油气开发进入深水领域,带有浮力块装置的柔性立管涡激振动问题越来越具有工程研究价值。基于上述需求,本文对带有浮力块的柔性立管进行了涡激振动特性试验研究,并针对性的研究了涡激振动数据处理方法。内容主要涉及如下几个方面:1.对国内外研究现状进行了总结,对涡激振动相关理论进行了推导和说明。使用数值模拟软件SHEAR 7对带有浮力块的立管涡激振动响应特性进行了数值预报,对比了不同浮力块覆盖率、不同浮力块布置方式下的涡激振动响应特性,为试验设计提供数值依据。2.设计并完成了均匀来流下柔性立管的涡激振动试验。试验立管包括裸露立管、带螺旋列板立管、带浮力块立管以及同时安装浮力块和螺旋列板四种立管模型;其中,螺旋列板试验中选择的螺旋列板尺寸为17.5D/0.25D(鳍距/鳍高),目的为验证其在均匀流中对涡激振动的抑制效果;在浮力块试验中,以25%、50%以及100%三种覆盖方式布置浮力块,目的是比较不同覆盖方式下立管的响应特性;并在浮力块试验中将上述17.5D/0.25D螺旋列板安装于25%及50%覆盖下的裸管部分,来验证在浮力块布置情况下此种螺旋列板的抑制效果。3.对立管涡激振动的试验数据方法进行了研究,针对模态分析法理论,及振型函数对此方法的影响、模态混淆现象和试验数据噪声进行了分析,并对立管涡激振动疲劳损伤率的计算方法进行了推导。以具体试验数据为例,对整个涡激振动试验数据分析流程做了细致的研究,并对数据处理技巧和方法进行了验证。4.利用文中研究的数据处理方法,对涡激振动试验结果进行了分析,比较在不同试验工况下VIV响应的变化规律。试验结果表明,裸露立管模型的响应符合细长柔性立管涡激振动基本规律;17.5D/0.25D螺旋列板具有良好的涡激振动抑制效果,平均抑制效率为93.5%;通过不同浮力块覆盖情况下的涡激振动响应分析可知,合理的浮力块布置可以降低立管的疲劳损伤率;在带有浮力块的立管上增加17.5D/0.25D螺旋列板后,立管的响应特性得到了优化,螺旋列板平均抑制效率在50%左右,低于完全覆盖抑制装置的情况;但在有浮力块情况下布置抑制装置能够弥补浮力块的增加带来立管位移增加的缺陷,同时降低响应频率,从而优化了涡激振动的疲劳性能。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第1章绪论  11-29
  1.1 课题研究的背景及意义  11-13
  1.2 立管涡激振动的研究热点  13-15
  1.3 立管涡激振动数值及试验研究现状  15-26
    1.3.1 涡激振动数值预报模型研究  15-17
    1.3.2 立管涡激振动的试验研究  17-21
    1.3.3 带浮力块及抑制装置的立管涡激振动研究现状  21-26
    1.3.4 总结  26
  1.4 本文的创新点及主要工作  26-29
第2章立管涡激振动基本理论  29-49
  2.1 漩涡形成  29-30
  2.2 尾流形式  30-32
  2.3 涡激振动  32-34
  2.4 涡激振动基本参数及特性  34-41
    2.4.1 流体力参数  34-36
    2.4.2 结构参数  36-37
    2.4.3 流体结构物相互作用参数  37-41
  2.5 涡激振动流体力分析  41-44
  2.6 大细长比立管的涡激振动  44-47
    2.6.1 时间共享概念  45
    2.6.2 能量输入和能量输出区  45-46
    2.6.3 行波概念  46-47
  2.7 本章小结  47-49
第3章带有浮力块立管VIV数值模拟  49-58
  3.1 前言  49
  3.2 基本理论  49-52
  3.3 数值模拟内容  52-53
    3.3.1 模型参数  52
    3.3.2 流剖面参数  52
    3.3.3 模拟工况  52-53
  3.4 数值模拟结果与分析  53-57
    3.4.1 不同浮力块覆盖率下立管涡激振动响应特性  53-55
    3.4.2 不同浮力块布置方式下涡激振动响应特性  55-57
  3.5 本章小结  57-58
第4章立管涡激振动试验描述  58-71
  4.1 引言  58
  4.2 试验目的  58-59
  4.3 试验设施  59-60
  4.4 试验模型  60-65
    4.4.1 裸露立管模型  60-61
    4.4.2 螺旋列板模型  61-63
    4.4.3 浮力块模型  63-65
  4.5 试验数据测量、监视系统  65-68
    4.5.1 坐标系  65-66
    4.5.2 传感器与采集系统  66-68
  4.6 试验内容  68-69
  4.7 本章小结  69-71
第5章试验数据处理方法研究  71-98
  5.1 模态分析法理论  71-75
  5.2 模态分析法的应用分析  75-85
    5.2.1 阵型函数对模态分析的影响  75-80
    5.2.2 模态混淆现象  80-83
    5.2.3 试验数据噪声分析  83-85
  5.3 疲劳损伤率计算方法  85-86
  5.4 涡激振动试验数据分析流程  86-97
    5.4.1 数据预处理  86-91
    5.4.2 模态分析  91-96
    5.4.3 疲劳损伤率计算  96-97
  5.5 本章小结  97-98
第6章试验结果分析  98-121
  6.1 裸露立管VIV特性分析  98-102
    6.1.1 裸露立管位移响应  98-100
    6.1.2 裸露立管主导模态与主导频率  100-102
  6.2 带螺旋列板立管VIV特性分析  102-108
    6.2.1 应变与位移对比分析  102-106
    6.2.2 主导模态与响应频率  106-107
    6.2.3 抑制效率分析  107-108
  6.3 带浮力块立管VIV特性分析  108-115
    6.3.1 100%浮力块覆盖下的 VIV 响应  108-111
    6.3.2 不同浮力块覆盖下立管VIV响应  111-115
  6.4 带浮力块立管及螺旋列板立管VIV特性分析  115-118
  6.5 本章小结  118-121
第7章总结与展望  121-125
  7.1 全文总结  121-123
  7.2 研究展望  123-125
参考文献  125-131
致谢  131-132
攻读学位期间发表（或录用）的学术论文  132-133
在学期间科研成果、获奖及专利情况  133-136

带浮力块的柔性立管涡激振动特性研究

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