[發(fā)明專利]一種評估內(nèi)外流作用下深海立管渦激振動(dòng)的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910249291.0
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN109827734A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 駱正山;蔡夢倩;田珮琦;秦樾;黃仁惠;駱濟(jì)豪
• 申請（專利權(quán)）人: 西安建筑科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M7/06
• 分類號(hào): G01M7/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

1.一種評估內(nèi)外流作用下深海立管渦激振動(dòng)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)構(gòu)建Cartesian坐標(biāo)系，其中，x軸為順流向，y軸為橫流向，z軸為垂直方向，考慮工作狀態(tài)下油氣能源通過彎曲管道時(shí)產(chǎn)生的附加荷載離心力及科氏力，以構(gòu)建包含管道內(nèi)流流速項(xiàng)及科氏力的立管渦激振動(dòng)方程；

其中，和為內(nèi)流流速項(xiàng)，表示內(nèi)流對立管施加的科氏力，即當(dāng)立管內(nèi)流體流經(jīng)彎曲管段時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)偏離原來方向所引起的作用力，E為彈性模量，c為結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，c′為等效流體阻尼系數(shù)，m_i為單位長度管內(nèi)流體質(zhì)量，v為內(nèi)流流速，M為考慮立管內(nèi)流及附加質(zhì)量作用的管道質(zhì)量，f_x(z,t)及f_y(z,t)分別為使立管在IL方向和CF方向上發(fā)生渦激振動(dòng)的渦激力；

2)考慮立管結(jié)構(gòu)與流體的線性耦合項(xiàng)模擬流體對立管的渦激振動(dòng)作用力，則有：

其中，q為升力振子系數(shù)，q＝2C_L/C_L0，C_L0為脈動(dòng)參考升力系數(shù)，C_L0＝0.3，ε為方程小參數(shù)，ε＝0.3，ω_st為漩渦脫落頻率，F(xiàn)_q表示結(jié)構(gòu)-流體耦合項(xiàng)，W為流體動(dòng)力參數(shù)，W＝12；

3)將立管從底端到頂端平均分成n份，立管的長度為L，得n個(gè)計(jì)算單元和n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)定z＝L處的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為0，沿z軸方向直到n，再將式(5)、式(6)及式(11)進(jìn)行耦合求解，然后采用Hermit插值函數(shù)離散求得矩陣方程組為：

其中，[M_x]、[C_x]及[K_x]分別表示立管IL方向的系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣，[M_y]、[C_y]及[K_y]分別表示CF方向的系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣，[M_q]、[C_q]及[K_q]分別表示流體運(yùn)動(dòng)方程的系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣及剛度矩陣；

4)采用Newark-β方法，對矩陣方程組進(jìn)行逐步積分，設(shè)初始時(shí)刻t₀的位移、速度及加速度，得t₁時(shí)刻立管的位移、速度及加速度，并以此得到立管在各時(shí)刻的位移、速度及加速度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估內(nèi)外流作用下深海立管渦激振動(dòng)的方法，其特征在于，步驟1)中立管的有效張力T為：

T＝T_w-A_iP_i+A₀P₀-ρA_iv² (7)

其中，T_w為立管結(jié)構(gòu)的軸向張力，A_i和A₀分別為管道內(nèi)徑和外徑所對應(yīng)的截面面積，P_i和P₀分別為管道的內(nèi)外壓力，ρ為管道內(nèi)流體的密度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估內(nèi)外流作用下深海立管渦激振動(dòng)的方法，其特征在于，步驟1)中考慮立管內(nèi)流及附加質(zhì)量作用的管道質(zhì)量M為：

其中，m_r為單位長度管道質(zhì)量，C_m為管道附加質(zhì)量系數(shù)，C_m＝1，ρ₀為管道環(huán)空流體密度，D_m為慣性力外徑。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估內(nèi)外流作用下深海立管渦激振動(dòng)的方法，其特征在于，步驟1)中使立管在IL方向和CF方向上發(fā)生渦激振動(dòng)的渦激力f_x(z,t)及f_y(z,t)的表達(dá)式為：

f_x(z,t)＝A_DC_DV_rU (9)

其中，ρ₀為海流密度，D為立管直徑，表示立管與流體的相對流速，C_D為曳力系數(shù)，C_L為升力系數(shù)，U為海流流速。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估內(nèi)外流作用下深海立管渦激振動(dòng)的方法，其特征在于，步驟2)中采用Facchinetti改進(jìn)的Van Der Pol尾流振子模型模擬流體對立管的渦激振動(dòng)作用力。