[发明专利]一种评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法

权利要求书

1.一种评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建Cartesian坐标系，其中，x轴为顺流向，y轴为横流向，z轴为垂直方向，考虑工作状态下油气能源通过弯曲管道时产生的附加荷载离心力及科氏力，以构建包含管道内流流速项及科氏力的立管涡激振动方程；

其中，和为内流流速项，表示内流对立管施加的科氏力，即当立管内流体流经弯曲管段时，流体质点运动偏离原来方向所引起的作用力，E为弹性模量，c为结构阻尼系数，c′为等效流体阻尼系数，m_i为单位长度管内流体质量，v为内流流速，M为考虑立管内流及附加质量作用的管道质量，f_x(z,t)及f_y(z,t)分别为使立管在IL方向和CF方向上发生涡激振动的涡激力；

2)考虑立管结构与流体的线性耦合项模拟流体对立管的涡激振动作用力，则有：

其中，q为升力振子系数，q＝2C_L/C_L0，C_L0为脉动参考升力系数，C_L0＝0.3，ε为方程小参数，ε＝0.3，ω_st为漩涡脱落频率，F_q表示结构-流体耦合项，W为流体动力参数，W＝12；

3)将立管从底端到顶端平均分成n份，立管的长度为L，得n个计算单元和n+1个节点，设定z＝L处的节点编号为0，沿z轴方向直到n，再将式(5)、式(6)及式(11)进行耦合求解，然后采用Hermit插值函数离散求得矩阵方程组为：

其中，[M_x]、[C_x]及[K_x]分别表示立管IL方向的系统质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，[M_y]、[C_y]及[K_y]分别表示CF方向的系统质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，[M_q]、[C_q]及[K_q]分别表示流体运动方程的系统质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；

4)采用Newark-β方法，对矩阵方程组进行逐步积分，设初始时刻t₀的位移、速度及加速度，得t₁时刻立管的位移、速度及加速度，并以此得到立管在各时刻的位移、速度及加速度。

2.根据权利要求1所述的评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，其特征在于，步骤1)中立管的有效张力T为：

T＝T_w-A_iP_i+A₀P₀-ρA_iv² (7)

其中，T_w为立管结构的轴向张力，A_i和A₀分别为管道内径和外径所对应的截面面积，P_i和P₀分别为管道的内外压力，ρ为管道内流体的密度。

3.根据权利要求1所述的评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，其特征在于，步骤1)中考虑立管内流及附加质量作用的管道质量M为：

其中，m_r为单位长度管道质量，C_m为管道附加质量系数，C_m＝1，ρ₀为管道环空流体密度，D_m为惯性力外径。

4.根据权利要求1所述的评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，其特征在于，步骤1)中使立管在IL方向和CF方向上发生涡激振动的涡激力f_x(z,t)及f_y(z,t)的表达式为：

f_x(z,t)＝A_DC_DV_rU (9)

其中，ρ₀为海流密度，D为立管直径，表示立管与流体的相对流速，C_D为曳力系数，C_L为升力系数，U为海流流速。

5.根据权利要求1所述的评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，其特征在于，步骤2)中采用Facchinetti改进的Van Der Pol尾流振子模型模拟流体对立管的涡激振动作用力。