[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

说明书

本发明公开了一种评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，包括以下步骤：1)构建Cartesian坐标系，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；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；3)采用Hermit插值函数离散求得矩阵方程组；4)采用Newark‑β方法，对矩阵方程组进行逐步积分，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，该方法能够评估内外流作用下深海立管的涡激振动。

技术领域

本发明属于海底油气管道输送技术领域，涉及一种评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法。

背景技术

随着海底能源开发不断向深海发展，涡激振动疲劳已经成为深海立管的一种主要失效模式，一旦发生失效，则会造成十分严重的经济损失以及环境污染，因此准确预测立管的涡激振动在立管的设计中占有重要地位。而如今随着管道内部流体对实际工作的管道产生的不利影响，以及一些工程产生了巨大的经济损失及环境灾害，对涡激振动中立管内流体作用的研究显得尤为迫切和重要。

针对涡激振动动力响应，国内外学者已经开展了大量研究，目前对立管涡激振动响应的分析方法主要有：一是试验方法，虽数据可靠但成本较高。目前多进行涡激振动试验，研究了激发立管涡激振动所对应的流速范围，来流形态尤其是剪切流形态与动力响应之间的关系。但是与实际海洋环境之间存在明显误差。二是计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)，通过CFD对三维或二维立管涡激振动进行数值模拟，研究其涡激振动机理。但CFD对结构和流场的网格质量要求十分精细，其计算量特别巨大。三是半经验模型方法，其中，尾流振子模型因为具有较为明确、合理的物理意义以及较好的计算精度，目前被工程界广泛采用。而目前海洋立管的动力设计研究更多研究外流作用，很少考虑管内流体的流动作用，这样设计是不合理的，也是不安全的，除此之外研究学者在开展内流作用对立管涡激振动的研究工作中，仅考虑横向单自由度涡激振动，忽略了涡激振动中顺流向和横流向的耦合作用，但由于顺流向涡激振动频率一般为横向涡激振动频率的两倍，因此横流向和顺流向耦合作用对立管涡激振动的疲劳破坏的影响同样不能忽视。

因此需要设计一种方法，以评估内外流作用下深海立管的涡激振动。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法，该方法能够评估内外流作用下深海立管的涡激振动。

为达到上述目的，本发明所述的评估内外流作用下深海立管涡激振动的方法包括以下步骤：

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：