流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验研究

摘要

伴随世界海洋油气工业向深海进军的热潮，对深海立管涡激振动问题的研究现在正成为整个深海油气开发技术研究领域里的热点。对于细长柔性管件涡激振动的研究，实验是目前最可靠和最主要的研究手段之一。 在整个海洋水深范围内，不但有表层流动，也有靠近海底的流动，甚至也会出现中部水深处的突发激流。深海立管必然长期遭受这种流速分层流场的作用。目前，世界上研究较多的是在均匀流场及剪切流场中细长柔性立管的涡激振动。但是，对流速分层流场中细长柔性立管涡激振动问题的实验研究很少涉及。在独立开发出拖曳水池中流速增大装置的基础上，本论文完成了流速分层流场中细长柔性立管涡激振动的实验研究。 经数值实验和水池实验的研究，流速增大装置可以在其内部一定区域获得明显高于拖车车速且平稳、均匀的流场，同时流速增大装置对其以外的流场影响很小。 利用流速增大装置在立管外制造流速增大层，并进而完成流速分层流场中细长柔性立管涡激振动实验是可行的。本实验中主要测量仪器为应变片，等间距布置于立管流向和垂直流向上。在对实验数据进行处理分析后，主要得到了以下几点结论：1，立管在流向上会因流体拖曳力的作用而出现弯曲，流速增大层会使这条弯曲曲线的最大弯曲点往流速增大层的作用段移动；2，立管表面流向应变标准差基本上会随着立管Re数水平的增大而增大，立管表面垂直流向应变标准差会随着立管Re数水平的增大而出现一些起伏；3，立管流向振动和垂直流向振动的阶数都会随着立管外Re数水平的上升而缓慢增多，立管流向振动阶数与垂直流向振动阶数基本一致；4，在分层流场的某些流速条件下立管垂直流向振动将与拍振动类似；5，在分层流场中，立管外Re数水平较低和较高时立管流向振动在频域内分布比较分散，立管外Re数水平适中时，流向振动在频域内分布比较集中；6，立管外Re数水平较高时的频域内分散式分布的立管流向振动频率水平低于立管外Re数水平适中时的集中式立管流向振动的频率水平；7，在分层流场中，立管外Re数水平较高时立管垂直流向振动在频域内分布比较分散，立管外Re数水平较低及适中时，垂直流向振动在频域内分布比较集中；8，立管垂直流向振动的频率水平基本上会随着立管外Re数水平的增大而增大；9，立管垂直流向振动频率分布的集中性要好于立管流向振动频率分布；10，立管流向振动的频率水平于垂直流向振动的频率水平相差不大