海洋立管是連接海面浮式裝置和位于海床上石油井口的主要設(shè)備,用于石油、天然氣的鉆探和生產(chǎn)。特別是深海輸液立管上端受控于浮體提供的頂張力,底部與井口柔性鉸接。立管內(nèi)部有高壓的油或氣流過,外部承受波浪、海流作用,在一定的流速下會產(chǎn)生漩渦脫落,使立管發(fā)生渦激振動。當(dāng)漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近時發(fā)生“鎖振”,振動幅值則明顯增加,導(dǎo)致立管疲勞破壞。 渦激振動是一種復(fù)雜的流體與固體耦合振動現(xiàn)象,目前國內(nèi)外的研究較為廣泛,但是由于該現(xiàn)象影響因素比較多,如雷諾數(shù)、頂張力、內(nèi)流、結(jié)構(gòu)本身特性等,特別是耦合海洋環(huán)境荷載作用后,立管渦激振動的動力響應(yīng)分析更加困難。本文通過試驗的手段在大型水槽中進行了輸液立管渦激振動研究,并將結(jié)果與數(shù)值模擬方法進行對比。主要研究工作如下: (1)本文建立一套利用Morlet小波的連續(xù)變換對渦激振動信號進行時頻分析的方法,直觀得到渦激振動頻率在不同外流速頻率隨時間的連續(xù)變化規(guī)律,詳細詮釋了渦激振動的物理現(xiàn)象。通過小波閾值法對試驗數(shù)據(jù)進行去噪處理,利用振型分解法求解立管各點渦激振動位移。采用Palmgren-Miner理論,對海洋立管模型的疲勞壽命進行分析。 (2)在大型波浪流水槽中對頂張力立管和柔性立管模型進行了渦激振動試驗研究。研究表明,頂張力立管存在明顯的“鎖振”區(qū)間,且在這個區(qū)間內(nèi)振動劇烈,幅值放大;來流向振動對渦激振動疲勞貢獻不能忽略;橫向振動與來流向振動有非常強的振動耦合,立管渦激振動呈“8”字形運動軌跡。試驗考察了頂張力變化、內(nèi)流作用、質(zhì)量比變化對頂張力立管自振頻率以及渦激振動的影響。柔性立管模型試驗得到了多模態(tài)共同參與的振動現(xiàn)象,并且隨流速增加立管發(fā)生模態(tài)跳躍。 (3)針對干涉現(xiàn)象,對前后排列和并肩排列兩種布置方式的海洋立管渦激振動進行了試驗研究。結(jié)果表明,立管的振動會受到其它立管尾流的干涉影響,干涉由于間距的不同而有顯著改變,其動力特性、動力響應(yīng)以及漩渦的脫落形式同單個立管相比均有較大的變化。 (4)利用有限布置測點所得試驗數(shù)據(jù),計算得到不同時刻立管結(jié)構(gòu)位移時程曲線。假設(shè)微小時間段內(nèi)流體作用力線性變化,采用時域的精細積分法識別水動力荷載,得到測試各時間點上作用在結(jié)構(gòu)上的流體力。將得到的結(jié)果與采用尾流振子模型求解流體與結(jié)構(gòu)耦合振動方程的結(jié)果進行比較,驗證了立管流固耦合振動數(shù)值模擬結(jié)果。 (5)設(shè)計一種月牙擾流肋抑振裝置,布置在模型上并進行多級外流速下渦激振動模型試驗。通過時頻分析得到安裝抑振裝置后模型頻率變化規(guī)律,從振動動力特性方面分析該裝置抑制振動機理,并對立管的疲勞壽命進行計算。結(jié)果表明,月牙擾流肋抑振裝置能較好抑制渦激振動,有效提高立管的疲勞壽命。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：P756.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 選題背景、目的和研究意義
        1.1.1 選題背景
        1.1.2 研究目的和研究意義
    1.2 渦激振動的關(guān)鍵參數(shù)和基本特征
        1.2.1 海洋立管渦激振動機理
        1.2.2 描述渦激振動的關(guān)鍵參數(shù)
        1.2.3 渦激振動的基本特征
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 試驗研究
        1.3.2 數(shù)值模擬
        1.3.3 抑振方法研究
    1.4 本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點
        1.4.1 本文主要研究內(nèi)容
        1.4.2 本文主要創(chuàng)新點
2 振動信號分析與立管響應(yīng)重建
    2.1 信號處理方法
        2.1.1 傅立葉變換
        2.1.2 小波變換
        2.1.3 基于小波變換的時間-頻率分析
    2.2 結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)重建方法
        2.2.1 有限測點計算結(jié)構(gòu)立管各點位移
        2.2.2 結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)重建算例
        2.2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)重建過程中的關(guān)鍵問題
    2.3 信號去噪方法
        2.3.1 小波去噪方法
        2.3.2 閾值法小波去噪應(yīng)用
    2.4 立管疲勞壽命計算
        2.4.1 雨流計數(shù)法
        2.4.2 S-N 曲線
        2.4.3 疲勞計算算例
    2.5 誤差分析
3 渦激振動試驗方法
    3.1 試驗?zāi)康?br>        3.1.1 渦激振動規(guī)律研究方法
        3.1.2 立管干涉研究方法
    3.2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計
        3.2.1 相似準則
        3.2.2 立管模型設(shè)計
        3.2.3 考慮頂張力、內(nèi)流的立管試驗設(shè)計
        3.2.4 柔性立管模型
        3.2.5 不同質(zhì)量比模型設(shè)計
    3.3 試驗支架設(shè)計
    3.4 試驗設(shè)備
        3.4.1 實驗水槽
        3.4.2 頂張力施加與兩端固定方式
        3.4.3 光纖光柵應(yīng)變計與采集系統(tǒng)
        3.4.4 電阻應(yīng)變計與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DASP-ET
        3.4.5 多普勒流速測量儀
4 立管振動數(shù)據(jù)分析
    4.1 頂張力立管渦激振動試驗研究
        4.1.1 立管動力特性分析
        4.1.2 渦激振動規(guī)律分析
        4.1.3 漸變外流作用下立管振動規(guī)律
        4.1.4 頂張力對渦激振動影響
        4.1.5 輸流立管中內(nèi)流作用
    4.2 柔性立管渦激振動規(guī)律
        4.2.1 立管動力特性分析
        4.2.2 柔性立管渦激振動規(guī)律
        4.2.3 頂張力對柔性立管動力特性以及振動響應(yīng)影響
        4.2.4 來流向與橫向振動耦合
    4.3 不同質(zhì)量比的立管模型渦激振動
        4.3.1 不同質(zhì)量比動力特性分析
        4.3.2 不同質(zhì)量比振動幅值分析
        4.3.3 不同質(zhì)量比模型疲勞分析
    4.4 立管干涉試驗研究
        4.4.1 兩立管前后排列干涉研究
        4.4.2 兩立管并肩干涉研究
5 流體力識別與渦激振動預(yù)報方法實現(xiàn)
    5.1 精細積分方法
    5.2 流體力識別方法
    5.3 基于尾流陣子方程的數(shù)值預(yù)報方法
    5.4 試驗與數(shù)值模擬對比
6 抑振裝置與抑振方法試驗研究
    6.1 抑振裝置設(shè)計
    6.2 月牙擾流肋試驗
        6.2.1 擾流肋布置方案設(shè)計
        6.2.2 抑振效果
        6.2.3 抑振后渦激振動動力特性分析
        6.2.4 疲勞壽命計算
    6.3 螺旋導(dǎo)板試驗
        6.3.1 螺旋導(dǎo)板方案設(shè)計
        6.3.2 抑振效果分析
        6.3.3 螺旋導(dǎo)板覆蓋率研究
    6.4 導(dǎo)流板尾翼試驗
        6.4.1 導(dǎo)流板方案設(shè)計
        6.4.2 抑振效果分析
7 研究結(jié)論與展望
    7.1 本文結(jié)論
    7.2 進一步研究的建議
參考文獻
致謝
個人簡歷
發(fā)表的學(xué)術(shù)論文以及學(xué)術(shù)成果

【引證文獻】

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1 李瑩;楊新華;郭海燕;李朋;;海洋立管試驗支座設(shè)計及其對渦激振動影響研究[J];海洋工程;2013年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 李朋;深水海洋輸流立管渦激振動及干涉試驗研究[D];中國海洋大學(xué);2012年

2 趙婧;海洋立管渦致耦合振動CFD數(shù)值模擬研究[D];中國海洋大學(xué);2012年

本文編號：2882157