一種海底多跨管道渦激振動的預報方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種海底管道的研究方法，更具體地說，本發明涉及一種海底多跨管 道渦激振動預報方法。 技術背景
[0002] 隨著我國對渤海、黃海、東海和南海等海洋油氣資源的開采逐步進展，海底管道得 到了更廣泛的應用。海底管道能夠高效快速的將海底油井產出的石油和天然氣等能源物質 運送到陸地上，其具有安裝方便、造價低廉、高效運輸等優點，已成為海底油氣輸送系統的 大動脈。
[0003] 由于海底地勢起伏不平和海底洋流的沖刷作用，容易使海底管道出現懸跨段。當 外界來流流經懸跨管道所產生的漩渦脫落頻率與管道結構的固有頻率接近而達到鎖定狀 態時，懸跨管道就會發生渦激振動，從而出現較大的響應幅值使管道遭到嚴重的疲勞破壞。 管道一旦出現疲勞破壞，管內的油氣等流體就會泄漏，以至造成嚴重的環境污染和生態破 壞。
[0004] 由于懸跨管道的兩端由海底土壤支撐，而海底土壤的性質又決定著懸跨管道兩端 端部的約束條件，進而決定著懸跨管道的固有頻率，并影響著懸跨管道發生渦激振動。一般 的，海底土壤越堅硬，約束條件就越強烈。相應的懸跨管道固有頻率越大，渦激振動就越難 發生。
[0005] 國內外很多專家學者對單跨管道渦激振動開展了大量的模型試驗和理論研究，并 推出了VIVANA和Orcaflex等工程計算軟件。而在實際工況中，當海底管道出現懸跨段時， 在其相鄰的不遠處往往還會出現其它懸跨段，這就涉及到海底管道出現兩跨及兩跨以上相 連的現象，即海底多跨管道。
[0006] 海底多跨管道在外界來流的作用下也會發生渦激振動，而且相鄰懸跨段之間的懸 跨管道渦激振動存在著較強的相互影響。雖然現有技術能夠對海底單跨管道的渦激振動進 行預報，但是對海底多跨管道的渦激振動還無法進行有效的預報。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的就是克服現有技術的缺陷，并為此提供一種海底多跨管道渦激振動 的預報方法。該方法考慮了海底土壤對懸跨管道的一般邊界約束條件，能夠對海底多跨管 道的渦激振動進行有效的預報，為海底多跨管道渦激振動的研究、防范和治理提供了可靠 的理論依據和分析方法。
[0008] 本發明的技術方案是：
[0009] 一種海底多跨管道渦激振動的預報方法，包括以下步驟：
[0010] (1)建立如下管道結構和外界流場的流-固耦合作用模型：
[0013] 式中：x-管道軸向位移；
[0014]t-時間；
[0015] y(X，t) 一在X位置t時刻管道橫向振動位移；
[0016] q(X，t) 一在X位置t時刻無量綱渦激升力系數；
[0017]Φi(X)-管道結構第i階模態，在工程應用中可取前η階模態；
[0018]Pl(t) -t時刻第i階模態對應的管道廣義坐標；
[0019]djt) -t時刻第i階模態對應的無量綱渦激升力廣義坐標；
[0020] m-質量項，包括管道結構質量，管內流體質量和管外流場附加質量ma，ma = CaπpD2/4,Ca為附加質量系數；
[0021] P-外界流體密度或海水密度；
[0022] D-管道直徑；
[0023] c一阻尼項，包括結構阻尼cs和水動力阻尼cw，結構阻尼cs= 2πιωηζ，ζ為結構 阻尼比，水動力阻尼cw=CDPDV/2,CD為拖曳力系數；
[0024]ω;一管道第i階固有圓頻率；
[0025]V-外界來流速度；
[0026] -管道靜止時的渦激升力系數；
[0027]ε-尾流振子模型參數；
[0028]Α-尾流振子模型參數；
[0029]ωs-漩渦脫落頻率，ωs= 2πStV/D，St為斯特羅哈數；
[0030] 1 一海底多跨管道總長度；
[0031] (2)確定模態和尾流振子模型參數：
[0032]1)將海底管道簡化為歐拉-伯努利梁模型，根據管道一般邊界約束條件對結構固 有豐吳態進彳丁確定：
[0033]A.管道結構的固有模態：
[0036]EI-管道結構的彎曲剛度；
[0037]T一管道結構受到的軸向拉力；
[0038]B.海底多跨管道每一跨取一固有模態，其系數Cl]、c2]、〇3]和c4]需根據約束條件 確定，其中j表示第j跨，j= 1、2、3…；
[0040] 式中：kr一扭轉彈簧系數；
[0041]kt 一拉伸彈簧系數；
[0043] 式中：y-連接點左側位移；
[0044]y+-連接點右側位移；
[0046] 根據管道的約束條件得到關于Cl]、c2]、C3，c4](j= 1、2、3···)的方程組，求解此 方程組系數的秩等于零的超越方程，可得到管道結構固有頻率，將固有頻率回代到方程組 中，求得模態系數(^、(^、(^和c4j(j= 1、2、3···)，進而可以得到海底多跨管道的各階模態 和固有頻率；
[0047] 2)根據試驗數據對尾流振子模型中的參數ε和A進行標定：
[0048]當Vr>5,A= 10,當 0 <Vr〈5,A= 4;
[0053] 經1)和2)確定海底多跨管道渦激振動預報方法中流-固耦合作用模型的模態和 尾流振子參數，對流-固耦合作用微分方程組在時域上進行求解，得到海底多跨管道渦激 振動的時間歷程響應，可以采用傅里葉變換將時域響應轉換為頻域響應。
[0054] 在以上步驟（2)中：
[0055] 模態的系數，根據管道的一般邊界約束條件確定；
[0056] 尾流振子模型參數，根據試驗數據確定。
[0057] 本發明采用扭轉彈簧和拉伸彈簧模擬海底土壤對多跨管道的約束條件，并根據歐 拉-伯努利梁理論和經試驗數據標定的尾流振子模型，提出一種能夠對海底多跨管道渦激 振動進行有效預報的新方法。該方法克服了現有技術的諸多不足，其有益效果是：
[0058] (1)可以通過改變扭轉彈簧或者拉伸彈簧的彈性系數模擬多種海底土壤對多跨管 道的約束條件，彈性系數取值越大，代表海底土壤越堅硬，對管道的約束條件越劇烈；
[0059] (2)利用試驗數據對尾流振子模型中的參數進行標定，從而獲得精確預報海底多 跨管道渦激振動的技術效果；
[0060] (3)可以得到海底多跨管道渦激振動響應的時間歷程以及海底多跨管道渦激振動 響應的頻率，為評估海底多跨管道渦激振動的疲勞壽命提供了可靠的理論依據；
[0061] (4)由于以上（1)、（2)、（3)的有益效果，可以為海底多跨管道渦激振動的研究、防 范和治理提供可靠的依據和有效的方法。
【附圖說明】
[0062] 附圖為本發明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0063] 為了使本發明的優點和特征更容易被清楚理解，下面結合附圖和實施例對其技術 方案作以詳細說明。
[0064] 如前所述，海底地勢高低起伏不平和海底洋流的沖刷作用，往往會使海底管道出 現兩跨及兩跨以上的懸跨現象，稱為"多跨管道"。現有技術對海底懸跨管道渦激振動分析 的方法是僅截取其中的一個懸跨段，即以單跨管道為基礎進行分析，卻忽略了海底管道是 一個連續的整體以及相鄰懸跨段之間的相互影響。而且現有技術尚缺乏對海底多跨管道渦 激振動進行有效預報的方法。
[0065] 本發明則考慮了海底土壤對海底多跨管道的一般邊界約束條件，提出了一種基于 下述模型的海底多跨管道渦激振動預報方法。
[0066] 參照附圖，該方法包括以下步驟：
[0067] (1)建立如下管道結構和外界流場的流-固耦合作用模型：
[0070] 式中：x-管道軸向位移；
[0071] t-時間；
[0072] y(X，t) 一在X位置t時刻管道橫向振動位移；
[0073]q(X，t) 一在X位置t時刻無量綱渦激升力系數；
[0074]Φi(x) -管道結構第i階模態，在工程應用中可取前η階模態；
[0075]Pl(t)- t時刻第i階模態對應的管道廣義坐標；
[0076]山(t)一t時刻第i階模態對應的無量綱渦激升力廣義坐標；
[0077]m-質量項，包括管道結構質量，管內流體質量和管外流場附加質量ma，ma = CaπpD2/4,Ca為附加質量系數；
[0078] P-外界流體密度或海水密度；
[0079] D-管道直徑；
[0080]c一阻尼項，包括結構阻尼cs和水動力阻尼cw，結構阻尼cs= 2πιωηζ，ζ為結構 阻尼比，水動力阻尼cw=CDPDV/2,CD為拖曳力系數；
[0081]ω;-管道結構第i階固有圓頻率；
[0082]V-外界來流速度；
[0083] CL。一管道靜止時的渦激升力系數；
[0084]ε-尾流振子模型參數；
[0085]Α-尾流振子模型參數；
[0086]ωs-漩渦脫落頻率，ωs= 2πStV/D，St為斯特