[發明專利]內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法

有效

• 申請號: 201710127529.3
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106934138B
• 公開（公告）日: 2019-12-13
• 發明（設計）人: 安晨;厲曈曈;李方遒;段夢蘭;蘇健
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 11245 北京紀凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 徐寧;關暢

1.一種內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段振動特性分析方法，包括以下步驟：

1)建立內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型：

其中，m_e＝C_Mρ_eD²/4；Ω_f＝2πStU/D；q＝2C_L(x,t)/C_L0

式中：x表示管道軸向坐標；w表示管道懸跨段垂直方向彎曲振動位移；EI表示管道截面彎曲剛度；m_i表示單位長度管道內部流體質量；t表示時間；U表示內流速度；T_a表示懸跨段軸向張力；P表示管道內部段塞流產生的壓力；A_i表示管道內橫截面面積；r_s表示單位長度管道的結構阻尼系數；r_f表示流體阻尼系數；m_p表示單位長度管道的質量；m_e表示流體作用在單位長度管道上產生的附加質量；ρ_e表示海水密度；V表示外流速度；D表示管道外徑；C_L0表示靜態圓柱體的升力系數；q表示尾流振子；Ω_f表示旋渦脫落圓頻率；α和ε為流體參數；C_M為附加質量系數；C_D為流體阻尼系數；St為斯特哈爾數；C_L表示流體對結構的瞬時升力系數；

2)判斷海底管道懸跨段的邊界條件；如果海底管道懸跨段模型兩端視為簡支，海底管道懸跨段長度為L，不考慮管內介質產生的阻尼以及重力的影響，進行步驟3)；如果海底管道懸跨段視為位于彈性地基上且具有軸向速度的非均勻物體，海底管道懸跨段長度為L，不考慮管內介質產生的阻尼以及重力的影響，進行步驟4)；

3)基于內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型，計算內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應，進行步驟5)；

4)改寫內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型的控制方程，計算內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應；

其中，將內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段橫流向振動分析模型的控制方程改寫為如下形式：

邊界條件表達式為：

A(x)w″-k_RLw′＝0,x＝0或(A(x)w″)′+k_TLw＝0,x＝0

A(x)w″+k_RRw′＝0,x＝0或(A(x)w″)′-k_TRw＝0,x＝L

式中，A(x)、B(x)、C(x)、D(x)、E(x)、F(x)均為系數；k_RL、k_RR、k_TL、k_TR表示不同方向上的彈性剛度；

計算內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應，具體包括以下步驟：

a、引入以下四階Sturm-Liouville特征值問題：

(A(x)X_i″)″+(B(x)X_i′)′+E(x)X_i＝μ_i⁴p(x)X_i

其邊界條件如下：

A(x)X_i″-k_RLX_i′＝0,x＝0或(A(x)X_i″)′+k_TLX_i＝0,x＝0

A(x)X_i″+k_RRX_i′＝0,x＝0或(A(x)X_i″)′-k_TRX_i＝0,x＝L

當x∈(0,L)時，特征值方程集合{X_i}與加權函數p(x)滿足以下正交性：

式中，μ_i是特征值；p(x)表示質量函數；δ_ij表示Kronecker符號；N_i表示歸一化積分；

b、引入橫向位移積分變換對，對改寫后的控制方程進行積分變換，將四階微分項L[w]＝(A(x)w″)″+(B(x)w′)′+E(x)w從原為偏微分方程的改寫后的控制方程中去除，改寫后的控制方程由此變為常微分方程；

其中，橫向位移積分變換對即積分變換方程和逆變換方程為：

——積分變換

——逆變換

c、根據計算需要，選擇不同的展開式項數，求解常微分方程組得到內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應；

5)對內輸氣液兩相段塞流的海底管道懸跨段的振動響應進行分析。