基于广义积分变换法的深水立管涡激振动预报模型研究

Vortex-Induced Vibrations (VIV) is a major concern in the design of deep-water risers, since it can result in large amplitude responses in both in-line and cross-flow directions, and further lead to accumulation of fatigue damage within a relatively short time period. This project focuses on the VIV prediction of deepwater risers based on generalized integral transform technique (GITT). Firstly, the coupling system of double wake oscillator model will be improved under the consideration of the angle and velocity between the fluid flow and the riser model, and then GITT will be applied to solve the coupled equations to evaluate the effects of the relative angle and velocity. Secondly, in the semi-empirical models, the coefficients of added mass and fluid damping play an important role in the VIV prediction. Since these coefficients were not fully carried out in the literatures, the experiments and numerical calculation will be conducted in this study to obtain the nonlinear added mass and fluid damping which are suitable for long riser models. Then GITT will be implemented to evaluate the effects of these two coefficients, and the numerical results will be compared with experiments. Finally, the influence of nonlinear added mass and fluid damping on the VIV prediction under parametric excitation will be further qualitatively and quantitatively assessed.

在深海立管设计中，涡激振动是一个必须要考虑的重要因素，因为它会引起立管在顺流向和横流向的振动，经过一段时间的累计会导致立管疲劳破坏的发生。本课题主要研究基于广义积分变换法的深水立管涡激振动预报模型。首先，我们通过考虑流体与立管模型之间的相对角度及相对速度来改进双尾流振子耦合系统，并通过广义积分变换法来评估相对角度、相对速度对于涡激振动的影响。同时鉴于在经验模型预测涡激振动中使用的流体阻尼以及附加质量系数对最终的结果有着非常重要的影响，而许多学者对于细长立管模型的附加质量和流体阻尼的研究不够系统和深入，本课题将通过理论推导和实验研究来获得适用于细长立管模型的非线性流体阻尼以及附加质量函数，从而能更加准确地进行涡激振动的预报。然后通过广义积分变换法来评估非线性的流体阻尼、附加质量对于涡激振动的影响，并将结果与实验进行比较。最后就两个参数对于参数激励下涡激振动的影响将进行定质和定量的分析研究。

本课题主要研究基于广义积分变换法的深水立管涡激振动预报模型。首先，我们通过考虑流体与立管模型之间的相对角度及相对速度来改进双尾流振子耦合系统，并通过广义积分变换法对模型进行了求解，在此基础上评估了管内流体流速、含气率、立管长细比等参数对于立管振动响应的影响。.对于附加质量及流体阻尼的理论推导，通过ANSYS和CFX进行了流固耦合数值模拟，先在单自由度下验证升力曲线、拖曳力曲线的振动频率关系、以及斯托雷哈数的数值，在双自由度下验证不同约化速度下顺流向和横流向的振动位移关系以确定振动模型的可靠性。在确定模型可行情况下，设计不同约化速度工况、不同质量比和不同雷诺数工况来推导三种参数与附加质量系数之间的关系式。在同样数值模拟模型下，通过流体域介质改变与自由衰减法结合得到系统结构阻尼以及不同雷诺数下的流体阻尼关系式。.在实验研究中，通过光纤光栅传感器得到立管的振动响应，通过波纹管力传感器得到立管的流体力，最后通过积分法得到附加质量和流体阻尼的非线性函数。同时对于脉动张力参数激励下的涡激振动响应，我们通过改变电机调幅模型上钢丝缆绳的安装位置来控制顶部张紧力的脉动幅值，通过伺服电机改变脉动张力的频率来分析完成脉动张力影响下的立管振动响应。.针对附加质量系数与流体阻尼值对涡激振动的影响，我们通过数值模拟方法评估这些系数对于频率比、斯特罗哈数、和立管振动频率的影响。结果表明，变化的附加质量系数会使立管振动频率和斯特罗哈数小于理论值；受雷诺数影响的流体阻尼会小于相关文献的结论值。.以上成果的取得能够改善现有海洋立管的涡激振动响应预报模型的准确性，并进一步对于海洋立管在内输多相流、脉动张力等参数影响下的响应分析具有重要的参考意义。