[发明专利]一种单跨管道横流向涡激振动的预报方法

摘要

本发明公开了一种单跨管道横流向涡激振动的预报方法，该方法包括建立悬跨段管道结构与外界流场的流固耦合作用模型、建立跨肩处管道结构与海床土体的管土耦合作用模型、确定尾流振子模型参数、确定土体支撑刚度和土体阻尼系数等步骤。其优点是：采用尾流振子模型模拟悬跨段的流耦合作用并以试验数据对该模型参数进行标定，考虑了跨肩的管土耦合作用并根据管道运动的方向和位移确定海床土体对运动管道的支持刚度和土体阻尼系数，同时根据管道的运动情况对嵌入土体的最大深度进行实时的更新，很好的模拟了跨肩处管道结构与海床土体之间的相互作用，为海底悬跨管道涡激振动的研究、防范和治理提供了可靠的理论依据。

主权项

一种单跨管道横流向涡激振动的预报方法，其特征是，该方法包括以下步骤：(1)建立悬跨段管道结构与外界流场的流固耦合作用模型和跨肩处管道结构与海床土体的管土耦合作用模型：a)悬跨段管道结构与外界流场的流固耦合作用模型：$m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}+(c_s+c_w)\stackrel{\&CenterDot;}{y}-{\mathrm{Ty}}^{\&prime;\&prime;}+{\mathrm{EIy}}^{\&prime;\&prime;\&prime;\&prime;}=\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;DV}}^2\&CenterDot;C_L$$\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{q}+{\mathrm{\&epsiv;\&omega;}}_s(q^2-q)\stackrel{\&CenterDot;}{q}+{\mathrm{\&omega;}}_s^{2}q=\frac{A}{D}\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}$b)跨肩处管道结构与海床土体的管土耦合作用模型：$m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}+(c_s+c_{soil})\stackrel{\&CenterDot;}{y}-{\mathrm{Ty}}^{\&prime;\&prime;}+{\mathrm{EIy}}^{\&prime;\&prime;\&prime;\&prime;}+k_{soil}y=0$式中：—管道横向加速度；—管道横向速度；y—管道横向位移；y″—管道横向位移y对管道轴向位移x的二阶偏导；y″″—管道横向位移y对管道轴向位移x的四阶偏导；m—质量项，包括管道结构质量，管内流体质量和管外流场附加质量m_a；m_a—附加质量，m_a＝C_aπρD²/4，C_a为附加质量系数；c_s—管道结构阻尼系数，c_s＝2mω_nζ，ζ为结构阻尼比，ω_n为管道结构固有圆频率；c_w—水动力阻尼系数，c_w＝C_DρDV/2,C_D为平均拖曳力系数；c_soil—土体阻尼系数；T—管道受到的轴向拉力；EI—管道结构弯曲刚度；k_soil—土体支撑刚度；ρ—外界流体密度；D—管道直径；V—外界来流速度；C_L—瞬时涡激升力系数；—无量纲涡激升力系数对时间t的二阶导数；—无量纲涡激升力系数对时间t的一阶导数；q—无量纲涡激升力系数，C_L0为管道静止时的涡激升力系数；ε—尾流振子模型参数；A—尾流振子模型参数；ω_s—漩涡脱落频率，ω_s＝2πStV/D，St为斯特罗哈数；此为管道微段振动的控制方程，采用有限元法或者有限差分法以连接结点表示整个连续管道，对与结点相关的微分方程在时域上进行求解，得到单跨管道横流向涡激振动的响应；(2)根据试验数据和海床土体性质确定尾流振子模型参数、土体支撑刚度和土体阻尼系数：a)确定尾流振子模型参数：根据试验数据对尾流振子模型中的参数ε和A进行标定：定义约化速度Vr：$Vr=\frac{2\mathrm{\&pi;}V}{{\mathrm{\&omega;}}_{n}D}$当Vr>5,A＝10，当0≤Vr<5，A＝4；参数ε和A满足关系式：$\frac{C_{L0}}{2(S_G+{\mathrm{\&pi;}}^3{\mathrm{St}}^2\mathrm{\&gamma;})}\sqrt{1+\frac{A}{\mathrm{\&epsiv;}}\frac{C_{L0}}{4(S_G+{\mathrm{\&pi;}}^3{\mathrm{St}}^2\mathrm{\&gamma;})}}=1.12e^{-1.05S_G}$式中：S_G—质量阻尼参数，γ—迟滞系数，$\mathrm{\&gamma;}=\frac{C_D}{{\mathrm{\&pi;}}^{2}St}.$b)确定土体支撑刚度和土体阻尼系数：根据管道的运动情况，对管道嵌入土的最大体深度进行实时更新：如果y>y₁,则y₁＝y；如果y≤y₁,则y₁＝y₁；式中：y—管道运动位移；y₁—管道嵌入土体的最大深度；由管道嵌入土体的最大深度确定最大土体作用力、最大土体吸附力作用点和土体作用力消失点：$P_1=a{\left(\frac{y}{D}\right)}^b(S_{u0}+S_{ug}{y}_1)D$$y_2=y_1-\frac{(1-\mathrm{\&upsi;})P_1}{k_0}\frac{1+\mathrm{\&phi;}}{\mathrm{\&upsi;}-\mathrm{\&phi;}}$式中：P₁—管道嵌入土体的最大深度所对应的土体作用力；y₁—嵌入土体最大深度；y₂—最大土体吸附力作用点；y₃—土体作用力消失点；a—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数；b—与管沟形状和管道结构表面粗糙度有关的参数；S_u0—海底泥面土体的不排水抗剪强度；S_ug—海底土体不排水抗剪强度垂向增量；υ—海床土体性质参数；k₀—海床土体性质参数；φ—海床土体性质参数；海床土体对管道的支撑刚度与管道的运动方向和位置有关：当管道远离土体且管道位置处于y₁和y₂之间时，土体支撑刚度为：$k_{soil}=\frac{(\mathrm{\&upsi;}-\mathrm{\&phi;})k_0}{1+\mathrm{\&upsi;}};$当管道远离土体且管道位置处于y₂和y₃之间时，土体支撑刚度为：$k_{soil}=-\frac{{\mathrm{\&phi;k}}_0(\mathrm{\&upsi;}-\mathrm{\&phi;})}{\mathrm{\&psi;}(1+\mathrm{\&upsi;})(1+\mathrm{\&phi;})};$当管道压缩土体且管道位置处于y₁和y₃之间时，土体支撑刚度为：$k_{soil}=\frac{k_0(\mathrm{\&upsi;}-\mathrm{\&phi;})}{(1+\mathrm{\&psi;})(1+\mathrm{\&upsi;})(1+\mathrm{\&phi;})};$其余状态下，土体支撑刚度都为零；土体阻尼系数可以根据下式确定：$c_{soil}=\frac{k_{soil}}{\mathrm{\&omega;}}\frac{E_{Dissipated}}{2{\mathrm{\&pi;E}}_{Elastic}};$式中：c_soil—土体阻尼系数；k_soil—线性化的土体刚度；ω—响应模态的圆频率；E_Dissipated—土体吸附的弹性势能；E_Elastic—土体阻尼消耗的能量。