管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究

摘要

在管道工程中，海床的凹凸不平和冲刷容易产生悬跨，并引发泄涡频率与结构频率的锁定，产生涡激振动疲劳。悬跨设计一直是管道设计的一个挑战，除了涡激振动系统海流与悬跨运动的相互作用，管土耦合的影响也不容忽视。正确地认识和描述悬跨跨肩管土耦合作用下悬跨VIV，合理的评估悬跨涡激振动疲劳，对保证海底管道经济效应和在服役期间安全运行有着重要意义。
　　 本文针对管土耦合边界下海底悬跨管道的涡激振动，分别采用基于弱耦合算法的CFD模型、半经验模型以及尾流振子模型，建立了管土耦合非线性作用下悬跨涡激振动预报方法，并探讨多跨多模态涡激振动疲劳损伤的评估方法。论文的主要内容和成果可以归纳为以下五个方面：
　　 (1)基于时域弱耦合算法，采用动网格技术模拟圆柱运动带来的流域边界的变化，开发出涡激振动的CFD数值程序。程序有效地实现了二维以及三维圆柱的涡激振动的数值模拟。流场求解选取有限体积法结合RANS方程与SST湍流模式离散，圆柱运动采用四阶Runge-Kutta求解，首次展开了对二维自激数值模拟的可靠性、有效性和不确定因数研究，指出了时间步长对计算结果的不确定性，以及流向自由度和高雷诺数对响应幅值的放大效应。
　　 (2)首次应用尾流振子模型以及弱耦合算法的二维CFD数值方法，模拟了理想塑性非线性弹簧支撑刚性圆柱的涡激振动响应。两者方法的预报结果一致显示：在锁定初始阶段，当弹簧变形进入塑性阶段后，圆柱振动响应产生突变，产生较大振幅的振动；且整个锁定区域的响应幅值的峰值较线性弹簧下要低；CFD数值方法还模拟出非线性弹簧变形进入塑性区后，相位角由0突变到180附件，频率锁定在空气中的固有频率附近。
　　 (3)利用2D刚性柱实验数据建立水动力经验模型，发展适合管土耦合边界下悬跨管道自身特点的简易预报频域程序。VIV响应频率的预报简化为在一定附加质量影响下的特征值求解问题；利用能量平衡原理，建立频域幅值迭代预报简易程序。最后在频域预报结果基础上，对管土耦合非线性作用下涡激振动应力响应进行时域分析。非线性的引入对跨肩最大应力幅值的影响十分显著，能够更现实的反应实际环境。
　　 (4)运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散，并应用Facchinetti等发展的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力，开发了一种基于尾流振子模型的悬跨管道-海床-海流多场耦合的非线性时域预报程序。在合理改进尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上，应用程序时域上预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应。研究发现在锁定范围内非线性弹簧支撑情况下的最大幅值峰值较线性时要低，但出现的峰值时的流速要小。此时，若按照线性弹簧支撑柱的响应规律进行工业设计，很可能会低估了非线性情况下低流速下的响应幅值，而高估了幅值的峰值。
　　 (5)针对长期作业的海底多跨管道的多模态涡激振动，联合考虑遭遇海流流速变化以及涡激振动响应本身的随机性，发展了一种基于离散流速的多跨多模态VIV疲劳损伤预报方法。采用Weibull分布描述流速长期变化，并将涡激振动引起的交变应力进程看作是零均值的窄带的平稳正态随机进程。从工程应用实践出发，在深入的研究DNV规范响应模型的基础上，结合离散流速VIV疲劳损伤预报流程，实现海底多跨管道的多模态VIV疲劳损伤预报，可以直接方便的应用于实际的管道设计。分析结果显示：疲劳损伤对土壤刚度选取敏感；DNV RP-105规范中多模态响应缩减系数较振幅权重形式要保守；用Rayleigh分布描述涡激振动响应进程较用横幅稳态振动描述得到的结果，在工程应用上更安全。
　　 总之，本文的工作涉及到圆柱体以及海洋管道涡激振动研究的诸多方面，对许多重要的概念与现象给出了独到的解释与分析。从简单线性、非线性弹簧支撑刚性柱的二维涡激振动机理，到三维悬跨管道在复杂边界条件下的涡激振动响应预报，以及悬跨管道复杂振动响应下的涡激振动疲劳损伤，这些理论模型与经验为进一步的研究以及管道悬跨设计提供了有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 VIV预报方法研究进展

1.2.1 VIV实验研究进展

1.2.2 VIV经验模型预报方法研究进展

1.2.3 CFD预报方法研究进展

1.3 海底悬跨管道VIV研究现状

1.3.1 悬跨结构的影响参数研究

1.3.2 水动力参数影响研究

1.3.3 悬跨管道VIV疲劳评估

1.4 本文主要工作与创新点

1.4.1 国内外研究中的不足

1.4.2 主要工作和内容

1.4.3 创新点

第2章 基于时域弱耦合算法的VIV数值模拟

2.1 CFD数值求解方法

2.1.1 基于SST湍流模型的RANS方法

2.1.2 增强壁面函数方法

2.1.3 非稳态流场离散

2.2 动网格技术

2.3 二维VIV弱耦合时域程序

2.3.1 弹簧支撑刚性圆柱的运动求解

2.3.2 刚性柱耦合时域算法流程

2.3.3 接口程序可靠性验证

2.4 三维弹性柱弱耦合时域程序

2.4.1 结构运动有限元法时域求解

2.4.2 弹性构件弱耦合算法流程

2.4.3 自激算例及分析

2.4.4 受迫振动算例及分析

2.5 本章小结

第3章 圆柱自激振动的二维数值分析

3.1 弹性支撑刚性柱涡激振动响应特性

3.1.1 基本参数说明

3.1.2 自激实验中响应幅值特性

3.1.2 自激实验中锁定频率特性

3.1.3 尾流结构

3.2 二维CFD计算模型

3.2.1 网格模型划分策略

3.2.2 离散格式选取

3.2.3 网格测试

3.3 时间步长的影响

3.3.1 折合速度VR=4.0情况

3.3.2 折合速度VR=8.6情况

3.3.3 折合速度VR=5.6情况

3.3.4 结果及讨论

3.4 流向自由度的的影响分析

3.5 高雷诺数下圆柱响应

3.6 本章小结

第4章 海底管道与海床的相互作用分析

4.1 海底悬跨管道结构建模

4.1.1 管道有效弯曲刚度

4.1.2 管道质量

4.1.3 功能载荷

4.2 管土耦合动刚度经验模型

4.2.1 小应变情况下刚度计算

4.2.2 完全埋设管道F-δ关系曲线

4.2.3 部分埋设管道F-δ关系曲线

4.3 管道-海床相互作用分析

4.3.1 土的动力本构关系模型概述[118]

4.3.2 平面应变直接分析算例

4.3.3 线性海床边界简化分析

4.3.4 非线性海床对悬跨动力响应的影响

4.4 本章小结

第5章 频域与时域联合预报悬跨VIV响应

5.1 水动力系数经验模型

5.1.1 水动力线性分解及其表达

5.1.2 系数CLV与能量转换

5.1.3 系数CLA与附加质量

5.2 响应频率预报

5.2.1 涡激振动响应频率

5.2.2 功能载荷影响分析

5.2.3 内流流速的影响分析

5.3 基于能量平衡的简易频域预报方法

5.3.1 单跨管道的模态扩展简化预报

5.3.2 多跨管道的频域迭代预报

5.3.3 验证算例

5.4 频域和时域联合预报非线性海床的影响

5.5 本章小结

第6章 非线性边界下悬跨VIV时域预报

6.1 单自由度VIV耦合振子模型

6.1.1 结构振动方程

6.1.2 Val_der_pol尾流振动方程

6.1.3 结构与尾流的耦合方程

6.2 弹簧支撑刚性柱VIV响应

6.2.1 尾流参数对预报幅值的影响

6.2.2 线性弹簧支撑预报结果

6.2.3 非线性弹簧支撑预报结果

6.3 CFD模拟非线性弹簧支撑刚柱VIV

6.3.1 计算结果

6.3.2 响应幅值分析

6.3.3 响应频率分析

6.4 非线性边界下悬跨时域预报

6.5 本章小结

第7章 海底多跨管道多模态VIV疲劳损伤评估

7.1 基于应力范围REYLEIGH分布的VIV疲劳损伤预报

7.1.1 基于N-S曲线疲劳损伤评估简述

7.1.2 基于应力范围Reyleigh分布的VIV疲劳评估

7.1.3 海流长期Weibull分布

7.1.4 离散流速VIV疲劳损伤预报流程

7.2 悬跨管道响应模型简化评估

7.2.1 流向VIV响应幅值模型

7.2.2 垂向VIV响应幅值模型

7.2.3 响应频率简化模型

7.3 悬跨多模态VIV应力范围和跨零率计算

7.3.1 单模态VIV的应力范围和跨零率

7.3.2 垂向多模态VIV的应力范围和跨零率

7.3.3 流向多模态VIV的应力范围和跨零率

7.4 多跨管道疲劳损伤影响因素分析

7.4.1 多跨管道模型

7.4.2 跨肩土壤刚度影响

7.4.3 多模态缩减系数β影响

7.4.4 应力范围Rayleigh分布的影响

7.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录A SHEAR7升力系数模型[A.1]

参考文献