流動(dòng)干涉作用下柔性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究.pdf

1、實(shí)際深海油氣開(kāi)采工程中的立管常以管群的方式出現(xiàn)，當(dāng)立管彼此相互靠近時(shí)，會(huì)發(fā)生流動(dòng)干涉作用，其激勵(lì)響應(yīng)特性與單根立管大不相同。傳統(tǒng)的渦激振動(dòng)理論主要建立在對(duì)單一圓柱體研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)流動(dòng)干涉作用下柔性圓柱渦激振動(dòng)的研究成果很不充分。本文通過(guò)開(kāi)展水槽物理模型試驗(yàn)研究了流動(dòng)干涉作用下細(xì)長(zhǎng)柔性圓柱的渦激振動(dòng)。通過(guò)系統(tǒng)地分析柔性圓柱的位移響應(yīng)、頻率響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)軌跡等，研究了不同約化速度下圓柱頂張力、間距對(duì)流動(dòng)干涉作用的影響，探討了流動(dòng)干涉作用下串

2、列布置柔性圓柱渦激振動(dòng)的物理機(jī)理。
　　本文的物理模型試驗(yàn)分為以下三個(gè)部分：
　　第一部分為單根柔性圓柱渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究。單根柔性圓柱豎直地安裝在水槽中，底部1/3浸沒(méi)于水中。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同張力下柔性圓柱均激勵(lì)了完整的渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間，位移響應(yīng)曲線(xiàn)包含初始分支、上端分支、下端分支以及非同步響應(yīng)狀態(tài)。在不同的約化速度下，IL方向的振動(dòng)始終由兩階模態(tài)參與響應(yīng)，而CF方向的振動(dòng)僅由單一模態(tài)控制。在初始分支和上端分支響應(yīng)狀態(tài)，

3、隨著約化速度的增加，圓柱在 IL方向上的兩階響應(yīng)頻率均呈線(xiàn)性增加，圓柱振動(dòng)存在明顯的隨機(jī)響應(yīng)特性，而在下端分支響應(yīng)狀態(tài)，兩階響應(yīng)頻率幾乎不隨約化速度的增加而變化，圓柱振動(dòng)為穩(wěn)定的鎖定狀態(tài)。張力對(duì)圓柱運(yùn)動(dòng)軌跡的影響顯著，而且運(yùn)動(dòng)軌跡隨約化速度的變化而變化，出現(xiàn)了“8”字形、“新月”形、“半月”形以及“雨滴”形的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　第二部分為剛性圓柱與柔性圓柱流動(dòng)干涉試驗(yàn)研究。柔性圓柱串列布置在剛性圓柱下游的尾流區(qū)內(nèi)，共設(shè)置7種間距比工況

4、，分析了間距對(duì)流動(dòng)干涉作用的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，受流動(dòng)干涉作用的影響，下游柔性圓柱的振動(dòng)響應(yīng)特性與單根柔性圓柱大不相同，其渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間明顯變寬，而且各工況下CF方向的峰值位移均增大了。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) S/D=4.0是本試驗(yàn)條件下的臨界間距比，S/D<4.0時(shí)流動(dòng)干涉作用受間距變化的影響極其顯著，S/D≥4.0時(shí)間距對(duì)流動(dòng)干涉作用的影響較小。在不同間距比工況下，柔性圓柱在IL方向的振動(dòng)始終由兩階模態(tài)共同參與，而CF方向的振動(dòng)僅由一階模態(tài)控制

5、。在S/D=2.5～4.0范圍內(nèi)，間距對(duì)下游柔性圓柱控制頻率的影響較大，而在S/D=4.0～6.0范圍內(nèi)，間距對(duì)下游柔性圓柱控制頻率的影響較小。
　　第三部分為雙柔性圓柱流動(dòng)干涉試驗(yàn)研究。兩根柔性圓柱串列布置，共設(shè)置5種間距比，分析了間距對(duì)流動(dòng)干涉作用的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，S/D=4.0是本試驗(yàn)條件下的臨界間距比。在S/D=2.5與S/D=3.0工況下，上游圓柱的位移響應(yīng)曲線(xiàn)與下游圓柱相比差異較大，流動(dòng)干涉作用明顯。S/D=4.0

6、~6.0工況的響應(yīng)特性相似，下游圓柱在尾流區(qū)對(duì)上游圓柱的作用有限，但上游圓柱對(duì)下游圓柱的流動(dòng)干涉作用仍然有效，當(dāng)上游圓柱進(jìn)入下支響應(yīng)區(qū)間時(shí)，下游圓柱出現(xiàn)了尾流馳振現(xiàn)象。分析頻譜發(fā)現(xiàn)，S/D=5.0時(shí)上游圓柱對(duì)下游圓柱的流動(dòng)干涉作用比 S/D=2.5時(shí)弱。S/D=2.5時(shí)，上游圓柱在初始分支和上端分支響應(yīng)區(qū)間的運(yùn)動(dòng)軌跡為“8”字形，在下端分支響應(yīng)區(qū)間的運(yùn)動(dòng)軌跡均為“橢圓”形，而下游圓柱在所有約化速度時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為“橢圓”形。與S/D=2