[发明专利]一种海底多跨管道涡激振动的预报方法

权利要求书

1.一种海底多跨管道涡激振动的预报方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)建立如下管道结构和外界流场的流-固耦合作用模型：

y(x,t)=Σi=1nφi(x)pi(t)q(x,t)=Σi=1nφi(x)di(t)]]>

∂2pi(t)∂t2+cm∂pi(t)∂t+ωi2pi(t)=ρDV2CL04mdi(t)∂2di(t)∂t2+ϵωs∫0lφi2(x)dx∫0l[(Σj=1nφj(x)dj(t))2-1]·(Σj=1nφj(x)∂dj(t)∂t)φi(x)dx+ωs2di(t)=AD∂2pi(t)∂t2]]>

式中：x—管道轴向位移；

t—时间；

y(x,t)—在x位置t时刻管道横向振动位移；

q(x,t)—在x位置t时刻无量纲涡激升力系数；

φ_i(x)—管道结构第i阶模态，在工程应用中可取前n阶模态；

p_i(t)—t时刻第i阶模态对应的管道广义坐标；

d_i(t)—t时刻第i阶模态对应的无量纲涡激升力广义坐标；

m—质量项，包括管道结构质量，管内流体质量和管外流场附加质量m_a，m_a＝C_aπρD²/4,C_a为附加质量系数；

ρ—外界流体密度或海水密度；

D—管道直径；

c—阻尼项，包括结构阻尼c_s和水动力阻尼c_w,结构阻尼c_s＝2mω_nζ，ζ为结构阻尼比，水动力阻尼c_w＝C_DρDV/2,C_D为拖曳力系数；

ω_i—管道第i阶固有圆频率；

V—外界来流速度；

C_L0—管道静止时的涡激升力系数；

ε—尾流振子模型参数；

A—尾流振子模型参数；

ω_s—漩涡脱落频率，ω_s＝2πStV/D，St为斯特罗哈数；

l—海底多跨管道总长度；

(2)确定模态和尾流振子模型参数：

1)将海底管道简化为欧拉-伯努利梁模型，根据管道一般边界约束条件对结构固有模态进行确定：

A.管道结构的固有模态：

φ(x)＝c₁cos(s₁x)+c₂sin(s₁x)+c₃cosh(s₂x)+c₄sinh(s₂x)

式中：s1=λ4+g44+g22,s2=λ4+g44-g22,λ4=mωn2EI,g=-TEI;]]>

EI—管道结构的弯曲刚度；

T—管道结构受到的轴向拉力；

B.海底多跨管道每一跨取一固有模态，其系数c_1j、c_2j、c_3j和c_4j需根据约束条件确定,其中j表示第j跨，j＝1、2、3…；

管道最左端约束条件：EI∂2y∂x2=kr∂y∂xEI∂3y∂x3-T∂y∂x=-kty]]>

式中：k_r—扭转弹簧系数；

k_t—拉伸弹簧系数；

管道中间连续约束条件：y-=y+∂y-∂x=∂y+∂xEI∂2y-∂x2=EI∂2y+∂x2-kr∂y∂xEI∂3y-∂x3=EI∂3y+∂x3+kty]]>

式中：y_-—连接点左侧位移；

y₊—连接点右侧位移；

管道最右端约束条件：EI∂2y∂x2=kr∂y∂xEI∂3y∂x3-T∂y∂x=kty]]>

根据管道的约束条件得到关于c_1j、c_2j、c_3j和c_4j(j＝1、2、3…)的方程组，求解此方程组系数的秩等于零的超越方程，可得到管道结构固有频率，将固有频率回代到方程组中，求得模态系数c_1j、c_2j、c_3j和c_4j(j＝1、2、3…)，进而可以得到海底多跨管道的各阶模态和固有频率；

2)根据试验数据对尾流振子模型中的参数ε和A进行标定：

当Vr>5,A＝10，当0≤Vr<5，A＝4；

式中：Vr—约化速度,

参数ε和A满足关系式：

CL02(SG+π3St2γ)1+AϵCL04(SG+π3St2γ)=1.12e-1.05SG]]>

式中：SG=8π2St2mζρD2,γ=CDπ2St.]]>