[发明专利]一种海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动预报方法

摘要

本发明公开了一种海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报方法，该方法包括建立预报模型、根据试验数据分别对悬跨段尾流振子模型中的参数在第一不稳定区域和第二不稳定区域内进行标定、根据土体性质确定土体支撑刚度和土体阻尼系数等步骤。其优点是：采用经典的van der pol方程描述了悬跨段管道结构与外界流场之间在第一、第二不稳定区域内的流固耦合作用，考虑了海床土体的阻尼作用，在跨肩处利用弹簧模拟海床土体对管道结构的支撑作用，建立了一个海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报方法，解决了悬跨管道纯顺流向涡激振动所涉及的外界流场、管道结构和海床土体的多场耦合作用问题，为海底管道涡激振动的防范和治理提供了有效的途径和理论依据。

主权项

一种海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)建立预报模型：${\mathrm{EIy}}^{\&prime;\&prime;\&prime;\&prime;}-{\mathrm{Ty}}^{\&prime;\&prime;}+k_{soil}y+c\stackrel{\&CenterDot;}{y}+m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}=\frac{1}{2}{\tilde{C}}_D{\mathrm{\&rho;DV}}^2$$q=\frac{2{\tilde{C}}_D}{C_{D0}}$$\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{q}+{\mathrm{\&epsiv;\&omega;}}_f(q^2-1)\stackrel{\&CenterDot;}{q}+{\left({\mathrm{n\&omega;}}_f\right)}^{2}q=\frac{A}{D}\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}$式中：EI—管道结构的弯曲刚度；T—管道结构的轴向拉力；k_soil—土体对管道的支撑刚度，仅在跨肩处存在；c—阻尼系数，在悬跨段由结构阻尼c_s和外界流体阻尼c_l组成，在跨肩处由结构阻尼c_s和土体阻尼c_soil组成；c_s＝2ζmω_n，其中：ζ为结构阻尼比，ω_n为管道结构固有圆频率；其中：为平均拖曳力系数；m—单位长度管道质量，包括管道结构质量，管内流体质量和管外附加质量m_a；m_a＝C_aπρD²/4，C_a为附加质量系数；y″″—管道横向位移y对轴向位移x的四阶偏导；y″—管道横向位移y对轴向位移x的二阶偏导；y—管道位移；—管道速度；—管道加速度；—脉动拖曳力系数，仅在悬跨段存在；ρ—外界流体密度或海水密度；D—管道直径；V—外界来流速度；q—无量纲拖曳力系数；C_D0—管道静止时拖曳力系数；ε—尾流振子模型参数；ω_f—漩涡脱落频率，St为Strouhal常数；n—稳定区域参数；A—尾流振子模型参数；此为管道微段振动模型，采用有限元法或者有限差分法以连接结点代替整个连续管道，对与连接结点相关的微分方程在时域上进行求解，得到管道的振动响应；(2)根据试验数据分别对悬跨段尾流振子模型中的参数在第一不稳定区域和第二不稳定区域内进行标定：定义约化速度：$Vr=\frac{2\mathrm{\&pi;}V}{{\mathrm{\&omega;}}_{n}D}$式中：Vr—约化速度；1)当1.0≤Vr<2.3时，海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动处于第一不稳定区域：n＝3$\left\{\begin{array}{c}A=20\\ \frac{C_{D0}}{24{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{St}}^2(\frac{3C_n}{2\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&gamma;})}\sqrt{1+\frac{A}{\mathrm{\&epsiv;}}\frac{C_{D0}}{16{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{St}}^2(\frac{3C_n}{2\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&gamma;})}}=0.216e^{-1.866C_n}\end{array}\right.$2)当2.3≤Vr<3.8时，海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动处于第二不稳定区域：n＝2$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cccc}A=8,& 2.3\&le;Vr\&lt;2.94;& A=12,& 2.94\&le;Vr\&lt;3.8\end{array}\\ \frac{C_{D0}}{16{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{St}}^2(\frac{C_n}{\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&gamma;})}\sqrt{1+\frac{A}{\mathrm{\&epsiv;}}\frac{C_{D0}}{16{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{St}}^2(\frac{C_n}{\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&gamma;})}}=0.172e^{-0.949C_n}\end{array}\right.$式中：C_n—无量纲质量阻尼系数，γ—迟滞系数，(3)根据土体性质确定土体支撑刚度和土体阻尼系数：1)土体支撑刚度：$k_{soil}=\frac{228}{I_p}(S_{u0}+S_{ug}y)(1+\mathrm{\&upsi;})$式中：I_p—土体塑性指数；S_u0—海床泥面土体不排水抗剪强度；S_ug—海床土体不排水抗剪强度垂向增量；y—管道嵌入土体深度；υ—土体Poisson系数；2)土体阻尼系数：$c_{soil}=\frac{2{\mathrm{\&zeta;}}_{soil}{k}_{soil}}{{\mathrm{\&omega;}}_n}$式中：ζ_soil—土体阻尼比系数。