[發明專利]一種評估內外流作用下深海立管渦激振動的方法

在審

• 申請號: 201910249291.0
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN109827734A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 駱正山;蔡夢倩;田珮琦;秦樾;黃仁惠;駱濟豪
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: G01M7/06
• 分類號: G01M7/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種評估內外流作用下深海立管渦激振動的方法，包括以下步驟：1)構建Cartesian坐標系，考慮工作狀態下油氣能源通過彎曲管道時產生的附加荷載離心力及科氏力，以構建包含管道內流流速項及科氏力的立管渦激振動方程；2)考慮立管結構與流體的線性耦合項模擬流體對立管的渦激振動作用力；3)采用Hermit插值函數離散求得矩陣方程組；4)采用Newark?β方法，對矩陣方程組進行逐步積分，得t₁時刻立管的位移、速度及加速度，并以此得到立管在各時刻的位移、速度及加速度，該方法能夠評估內外流作用下深海立管的渦激振動。

技術領域

本發明屬于海底油氣管道輸送技術領域，涉及一種評估內外流作用下深海立管渦激振動的方法。

背景技術

隨著海底能源開發不斷向深海發展，渦激振動疲勞已經成為深海立管的一種主要失效模式，一旦發生失效，則會造成十分嚴重的經濟損失以及環境污染，因此準確預測立管的渦激振動在立管的設計中占有重要地位。而如今隨著管道內部流體對實際工作的管道產生的不利影響，以及一些工程產生了巨大的經濟損失及環境災害，對渦激振動中立管內流體作用的研究顯得尤為迫切和重要。

針對渦激振動動力響應，國內外學者已經開展了大量研究，目前對立管渦激振動響應的分析方法主要有：一是試驗方法，雖數據可靠但成本較高。目前多進行渦激振動試驗，研究了激發立管渦激振動所對應的流速范圍，來流形態尤其是剪切流形態與動力響應之間的關系。但是與實際海洋環境之間存在明顯誤差。二是計算流體力學(ComputationalFluid Dynamics，CFD)，通過CFD對三維或二維立管渦激振動進行數值模擬，研究其渦激振動機理。但CFD對結構和流場的網格質量要求十分精細，其計算量特別巨大。三是半經驗模型方法，其中，尾流振子模型因為具有較為明確、合理的物理意義以及較好的計算精度，目前被工程界廣泛采用。而目前海洋立管的動力設計研究更多研究外流作用，很少考慮管內流體的流動作用，這樣設計是不合理的，也是不安全的，除此之外研究學者在開展內流作用對立管渦激振動的研究工作中，僅考慮橫向單自由度渦激振動，忽略了渦激振動中順流向和橫流向的耦合作用，但由于順流向渦激振動頻率一般為橫向渦激振動頻率的兩倍，因此橫流向和順流向耦合作用對立管渦激振動的疲勞破壞的影響同樣不能忽視。

因此需要設計一種方法，以評估內外流作用下深海立管的渦激振動。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種評估內外流作用下深海立管渦激振動的方法，該方法能夠評估內外流作用下深海立管的渦激振動。

為達到上述目的，本發明所述的評估內外流作用下深海立管渦激振動的方法包括以下步驟：

1)構建Cartesian坐標系，其中，x軸為順流向，y軸為橫流向，z軸為垂直方向，考慮工作狀態下油氣能源通過彎曲管道時產生的附加荷載離心力及科氏力，以構建包含管道內流流速項及科氏力的立管渦激振動方程；

其中，和為內流流速項，表示內流對立管施加的科氏力，即當立管內流體流經彎曲管段時，流體質點運動偏離原來方向所引起的作用力，E為彈性模量，c為結構阻尼系數，c′為等效流體阻尼系數，m_i為單位長度管內流體質量，v為內流流速，M為考慮立管內流及附加質量作用的管道質量，f_x(z,t)及f_y(z,t)分別為使立管在IL方向和CF方向上發生渦激振動的渦激力；

2)考慮立管結構與流體的線性耦合項模擬流體對立管的渦激振動作用力，則有：