一种海底多跨管道涡激振动的预报方法技术

本发明专利技术公开了一种海底多跨管道涡激振动的预报方法，该方法包括建立管道结构和外界流场的流-固耦合作用模型、确定模态和尾流振子模型参数等步骤。其优点是：通过改变扭转弹簧或拉伸弹簧的弹性系数模拟多种海底土壤对多跨管道的约束条件；利用试验数据对尾流振子模型中的参数进行标定，从而获得精确预报海底多跨管道涡激振动的技术效果；可以得到海底多跨管道涡激振动响应的时间历程以及海底多跨管道涡激振动响应的频率，为评估海底多跨管道涡激振动的疲劳寿命提供可靠的理论依据，并为海底多跨管道涡激振动的研究、防范和治理提供有效的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种海底管道的研究方法，更具体地说，本专利技术涉及一种海底多跨管 道涡激振动预报方法。 技术背景 随着我国对渤海、黄海、东海和南海等海洋油气资源的开采逐步进展，海底管道得 到了更广泛的应用。海底管道能够高效快速的将海底油井产出的石油和天然气等能源物质 运送到陆地上，其具有安装方便、造价低廉、高效运输等优点，已成为海底油气输送系统的 大动脉。 由于海底地势起伏不平和海底洋流的冲刷作用，容易使海底管道出现悬跨段。当 外界来流流经悬跨管道所产生的漩涡脱落频率与管道结构的固有频率接近而达到锁定状 态时，悬跨管道就会发生涡激振动，从而出现较大的响应幅值使管道遭到严重的疲劳破坏。 管道一旦出现疲劳破坏，管内的油气等流体就会泄漏，以至造成严重的环境污染和生态破 坏。 由于悬跨管道的两端由海底土壤支撑，而海底土壤的性质又决定着悬跨管道两端 端部的约束条件，进而决定着悬跨管道的固有频率，并影响着悬跨管道发生涡激振动。一般 的，海底土壤越坚硬，约束条件就越强烈。相应的悬跨管道固有频率越大，涡激振动就越难 发生。 国内外很多专家学者对单跨管道涡激振动开展了大量的模型试验和理论研究，并 推出了VIVANA和Orcaflex等工程计算软件。而在实际工况中，当海底管道出现悬跨段时， 在其相邻的不远处往往还会出现其它悬跨段，这就涉及到海底管道出现两跨及两跨以上相 连的现象，即海底多跨管道。 海底多跨管道在外界来流的作用下也会发生涡激振动，而且相邻悬跨段之间的悬 跨管道涡激振动存在着较强的相互影响。虽然现有技术能够对海底单跨管道的涡激振动进 行预报，但是对海底多跨管道的涡激振动还无法进行有效的预报。
技术实现思路
本专利技术的目的就是克服现有技术的缺陷，并为此提供一种海底多跨管道涡激振动 的预报方法。该方法考虑了海底土壤对悬跨管道的一般边界约束条件，能够对海底多跨管 道的涡激振动进行有效的预报，为海底多跨管道涡激振动的研究、防范和治理提供了可靠 的理论依据和分析方法。 本专利技术的技术方案是： ，包括以下步骤： (1)建立如下管道结构和外界流场的流-固耦合作用模型： 式中：x-管道轴向位移；t-时间； y(X，t) 一在X位置t时刻管道横向振动位移； q(X，t) 一在X位置t时刻无量纲涡激升力系数；Φi(X)-管道结构第i阶模态，在工程应用中可取前η阶模态；Pl(t) -t时刻第i阶模态对应的管道广义坐标；djt) -t时刻第i阶模态对应的无量纲涡激升力广义坐标； 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ma，ma = CaπpD2/4,Ca为附加质量系数； P-外界流体密度或海水密度； D-管道直径； c一阻尼项，包括结构阻尼cs和水动力阻尼cw，结构阻尼cs= 2πιωηζ，ζ为结构 阻尼比，水动力阻尼cw=CDPDV/2,CD为拖曳力系数；ω;一管道第i阶固有圆频率；V-外界来流速度； -管道静止时的涡激升力系数；ε-尾流振子模型参数；Α-尾流振子模型参数；ωs-漩涡脱落频率，ωs= 2πStV/D，St为斯特罗哈数； 1 一海底多跨管道总长度； (2)确定模态和尾流振子模型参数：1)将海底管道简化为欧拉-伯努利梁模型，根据管道一般边界约束条件对结构固 有丰吴态进彳丁确定：A.管道结构的固有模态：EI-管道结构的弯曲刚度；T一管道结构受到的轴向拉力；B.海底多跨管道每一跨取一固有模态，其系数Cl]、c2]、〇3]和c4]需根据约束条件 确定，其中j表示第j跨，j= 1、2、3…； 式中：kr一扭转弹簧系数；kt 一拉伸弹簧系数； 式中：y-连接点左侧位移；y+-连接点右侧位移； 根据管道的约束条件得到关于Cl]、c2]、C3，c4](j= 1、2、3···)的方程组，求解此 方程组系数的秩等于零的超越方程，可得到管道结构固有频率，将固有频率回代到方程组 中，求得模态系数(^、(^、(^和c4j(j= 1、2、3···)，进而可以得到海底多跨管道的各阶模态 和固有频率； 2)根据试验数据对尾流振子模型中的参数ε和A进行标定：当Vr>5,A= 10,当 0 <Vr〈5,A= 4; 经1)和2)确定海底多跨管道涡激振动预报方法中流-固耦合作用模型的模态和 尾流振子参数，对流-固耦合作用微分方程组在时域上进行求解，得到海底多跨管道涡激 振动的时间历程响应，可以采用傅里叶变换将时域响应转换为频域响应。 在以上步骤（2)中： 模态的系数，根据管道的一般边界约束条件确定； 尾流振子模型参数，根据试验数据确定。 本专利技术采用扭转弹簧和拉伸弹簧模拟海底土壤对多跨管道的约束条件，并根据欧 拉-伯努利梁理论和经试验数据标定的尾流振子模型，提出一种能够对海底多跨管道涡激 振动进行有效预报的新方法。该方法克服了现有技术的诸多不足，其有益效果是： (1)可以通过改变扭转弹簧或者拉伸弹簧的弹性系数模拟多种海底土壤对多跨管 道的约束条件，弹性系数取值越大，代表海底土壤越坚硬，对管道的约束条件越剧烈； (2)利用试验数据对尾流振子模型中的参数进行标定，从而获得精确预报海底多 跨管道涡激振动的技术效果； (3)可以得到海底多跨管道涡激振动响应的时间历程以及海底多跨管道涡激振动 响应的频率，为评估海底多跨管道涡激振动的疲劳寿命提供了可靠的理论依据； (4)由于以上（1)、（2)、（3)的有益效果，可以为海底多跨管道涡激振动的研究、防 范和治理提供可靠的依据和有效的方法。【附图说明】 附图为本专利技术的方法流程图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术 方案作以详细说明。 如前所述，海底地势高低起伏不平和海底洋流的冲刷作用，往往会使海底管道出 现两跨及两跨以上的悬跨现象，称为"多跨管道"。现有技术对海底悬跨管道涡激振动分析 的方法是仅截取其中的一个悬跨段，即以单跨管道为基础进行分析，却忽略了海底管道是 一个连续的整体以及相邻悬跨段之间的相互影响。而且现有技术尚缺乏对海底多跨管道涡 激振动进行有效预报的方法。 本专利技术则考虑了海底土壤对海底多跨管道的一般边界约束条件，提出了一种基于 下述模型的海底多跨管道涡激振动预报方法。 参照附图，该方法包括以下步骤： (1)建立如下管道结构和外界流场的流-固耦合作用模型： 式中：x-管道轴向位移； t-时间； y(X，t) 一在X位置t时刻管道横向振动位移；q(X，t) 一在X位置t时刻无量纲涡激升力系数；Φi(x) -管道结构第i阶模态，在工程应用中可取前η阶模态；Pl(t)- t时刻第i阶模态对应的管道广义坐标；山(t)一t时刻第i阶模态对应的无量纲涡激升力广义坐标；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ma，ma = CaπpD2/4,Ca为附加质量系数； P-外界流体密度或海水密度； D-管道直径；c一阻尼项，包括结构阻尼cs和水动力阻尼cw，结构阻尼cs= 2πιωηζ，ζ为结构 阻尼比，水动力阻尼cw=CDPDV/2,CD为拖曳力系数；ω;-管道结构第i阶固有圆频率；V-外界来流速度； CL。一管道静止时的涡激升力系数；ε-尾流振子模型参数；Α-尾流振子模型参数；ωs-漩涡脱落频率，ωs= 2πS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海底多跨管道涡激振动的预报方法，其特征是，该方法包括以下步骤：(1)建立如下管道结构和外界流场的流‑固耦合作用模型：y(x,t)=Σi=1nφi(x)pi(t)q(x,t)=Σi=1nφi(x)di(t)]]>∂2pi(t)∂t2+cm∂pi(t)∂t+ωi2pi(t)=ρDV2CL04mdi(t)∂2di(t)∂t2+ϵωs∫0lφi2(x)dx∫0l[(Σj=1nφj(x)dj(t))2-1]·(Σj=1nφj(x)∂dj(t)∂t)φi(x)dx+ωs2di(t)=AD∂2pi(t)∂t2]]>式中：x—管道轴向位移；t—时间；y(x,t)—在x位置t时刻管道横向振动位移；q(x,t)—在x位置t时刻无量纲涡激升力系数；φi(x)—管道结构第i阶模态，在工程应用中可取前n阶模态；pi(t)—t时刻第i阶模态对应的管道广义坐标；di(t)—t时刻第i阶模态对应的无量纲涡激升力广义坐标；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ma，ma＝CaπρD2/4,Ca为附加质量系数；ρ—外界流体密度或海水密度；D—管道直径；c—阻尼项，包括结构阻尼cs和水动力阻尼cw,结构阻尼cs＝2mωnζ，ζ为结构阻尼比，水动力阻尼cw＝CDρDV/2,CD为拖曳力系数；ωi—管道第i阶固有圆频率；V—外界来流速度；CL0—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；ωs—漩涡脱落频率，ωs＝2πStV/D，St为斯特罗哈数；l—海底多跨管道总长度；(2)确定模态和尾流振子模型参数：1)将海底管道简化为欧拉‑伯努利梁模型，根据管道一般边界约束条件对结构固有模态进行确定：A.管道结构的固有模态：φ(x)＝c1cos(s1x)+c2sin(s1x)+c3cosh(s2x)+c4sinh(s2x)式中：s1=λ4+g44+g22,s2=λ4+g44-g22,λ4=mωn2EI,g=-TEI;]]>EI—管道结构的弯曲刚度；T—管道结构受到的轴向拉力；B.海底多跨管道每一跨取一固有模态，其系数c1j、c2j、c3j和c4j需根据约束条件确定,其中j表示第j跨，j＝1、2、3…；管道最左端约束条件：EI∂2y∂x2=kr∂y∂xEI∂3y∂x3-T∂y∂x=-kty]]>式中：kr—扭转弹簧系数；kt—拉伸弹簧系数；管道中间连续约束条件：y-=y+∂y-∂x=∂y+∂xEI∂2y-∂x2=EI∂2y+∂x2-kr∂y∂xEI∂3y-∂x3=EI∂3y+∂x3+kty]]>式中：y‑—连接点左侧位移；y+—连接点右侧位移；管道最右端约束条件：EI∂2y∂x2=kr∂y∂xEI∂3y∂x3-T∂y∂x=kty]]>根据管道的约束条件得到关于c1j、c2j、c3j和c4j(j＝1、2、3…)的方程组，求解此方程组系数的秩等于零的超越方程，可得到管道结构固有频率，将固有频率回代到方程组中，求得模态系数c1j、c2j、c3j和c4j(j＝1、2、3…)，进而可以得到海底多跨管道的各阶模态和固有频率；2)根据试验数据对尾流振子模型中的参数ε和A进行标定：当Vr>5,A＝10，当0≤Vr<5，A＝4；式中：Vr—约化速度,参数ε和A满足关系式：CL02(SG+π3St2γ)1+AϵCL04(SG+π3St2γ)=1.12e-1.05SG]]>式中：SG=8π2St2mζρD2,γ=CDπ2St.]]>...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐万海，谢武德，崔文瀚，张宇宁，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12