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海洋工程中的水弹性问题简介.ppt
波浪与锚链等系泊平台的作用问题 非耦合分析 半耦合分析 耦合分析 非耦合分析方法 计算结构物上的波浪作用力 锚链按静力分析确定强度 半耦合分析方法 事先按静力学方法分析锚链的拉力-位移曲线 根据波浪作用力,锚链拉力-位移曲线分析分析上部结构运动响应,锚链的拉力 立管的涡激振动(VIV) 二、国内外研究现状 分析方法 1、人工检验方法:适用均匀水流。应用Strouhal方程预测VIV频率,对应模态下振动幅值为一倍管径,然后确定立管弯曲形状,计算受弯应力,疲劳损伤率和预计疲劳寿命。 2、经验方法:对于非均匀水流,上述方法不便应用,Vandiver(1998),Triantafyllou(1999)等建立一些经验方法 3、计算流体动力学方法:CFD方法仍处于发展之中。该方法要求大量的计算时间计算深水立管全长的涡激振动。简化的方法使用分层的二维CFD方法计算流体-结构的相互作用。 国外开发的分析软件 Norsk hydro USP: University of Sao Paulo Deepflow: Institute Francais du Petrole VIVIC: Imperial College, London Orcina vortex tracking model Orcina wake oscillator VIVA: MIT (Massachusetts Institute of Technology) VIVANA: NTNU VICoMo: NTNU (Norwegian University of Science and Technology) SHEAR7: MIT ABAVIV: Technip 模型分类 1、Norsk hydro,USP,Deepflow,VIVIC, Orcina,Orcina: 应用二维CFD分层模型计算水流对立管的绕流和尾涡,计算水流对立管的作用,各层间信息仅通过立管运动变形来交换。 时域内求解立管振动。 国外建立了大量的分析模型,但由于问题的复杂性,目前的模型还不能可靠地分析立管的涡激振动问题。我们必须开展自己的研究工作,发展自己的分析模型,不能盲目迷信国外的分析软件。 谢谢! * * 耦合分析方法 将缆索离散成一系列单元 在每一时间步上计算波浪对上部结构作用力、锚链的作用力 计算上部结构、各段锚链的动力响应 无论钻井和生产过程中都需要立管。 钻井立管用于容纳流体控制油井。 生产过程中,通过立管将石油、天然气送到水面。 水流对立管绕流时在立管后部形成尾涡,由于尾涡释放的不对称性,引起立管横向振动,但同时也产生水流方向的波动作用力,其振动频率应当为横向振动频率的两倍。 涡激振动(Vortex Induced Vibration, VIV)问题 海洋工程不断向深海进军,工作水深纪录被不断刷新,1999年的纪录是2437m,2000年是2693m,2001年达2953m,2003年达3052m。 在深海工程中立管的长度在两、三千米以上。立管的长度与直径之比为1000以上。这些细长的立管具有十分低的自振基频,而涡激振动的频率则相对较高,水深时涡激振动频率与立管自振频率的第30到第100个自振频率相耦合。在涡激振动频率附近,立管的自振频率非常密集,VIV激振模态下波长与直径之比一般在100量级。 涡激振动时涡激振动频率会保持与立管的某一自振频率一致,这一现象称为频率锁定(Lock-in)。 立管中产生的波动模式为传播波模态,而不是立波模态。 涡激振动是海洋石油开发中采油立管疲劳破坏的主要原因,在多个立管情况下还会造成立管间的相互碰撞。 深海工程中立管设计最具有挑战性,采油立管的造价会超过上部船体和锚泊系统的总和。 采油立管 涡激振动的影响会造成拖曳力放大一倍左右。 对于深海石油开发,必须开展立管涡激振动和疲劳破坏预报的研究! 2、VIVA,VIVANA,VICoMo,SHEAR7,ABAVIV: 通过水流对刚性管绕流或刚性管强迫振动建立VIV数据库,应用数据库资料开展VIV分析,确定立管的疲劳。 频域内求解立管振动。 实验研究 国外开展了大量的实验研究工作。 实验方法分别有水平和垂向两种。 研究目的是为分析模型建立数据包,或验证数值分析模型。 MARIN high Reynolds VIV test apparatus 水平杆实验: 刚性杆,固定或强迫振动 Delta Flume of Delft Hydraulics 垂直杆实验: 模型互比
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