旋转输流管道三维非线性动力学研究

In this research project, the three-dimensional nonlinear vibration and stability of rotating pipes conveying internal and external flow are investigated based on the theories of rotor dynamics and fluid-structure interaction. The rotation-induced gyroscopic effect combined with fluid excitation on the transverse, axial and torsional coupling vibrations are examined, and the possible dynamic behaviors of the pipe under abnormal conditions, such as initial eccentricities of mass and axis and vortex excitation driven by rotary walls, are predicted. For such a double-gyroscope system involving motional and modal gyroscopic properties, perturbation methods and numerical simulations are developed to study the free vibration and complex spatial motion under various excitations. The effects of rotational speed, flow velocity and supporting condition on the stability of the system are discussed and the internal resonances and supercritical behaviors are explored. The bifurcation of the equilibrium points is analyzed with the rotational speed and flow velocity as the governing parameters, and the conditions and approaches for chaos are discussed. Vibration experiments of rotating pipes conveying fluid are implemented to observe the three-dimensional vibrational shapes and whirl orbits of the pipe. The critical rotational speed and flow velocity for various instabilities will also be measured. The mutual confirmation of analysis, simulation and experiment is thus realized. The present research can enrich and develop the nonlinear dynamics of moving structures conveying fluid, and provide reliable theoretical supports and technical reserves for the solution to the failure of drillstrings in petroleum extraction project.

基于转子动力学和流固耦合理论，研究绕轴线旋转管道在内外流联合激励下的三维非线性振动和稳定性问题。重点探讨转动陀螺效应与流体激励对管道横向、轴向和扭转三维振动的耦合作用机理，预测管道在初始轴线、质量偏心及壁面旋转驱动涡流等非正常条件下可能出现的各种动力学行为。针对这类运动方向和振动模态上均具有陀螺特性的双陀螺系统，发展摄动方法和数值仿真技术分析管道的自由振动和各类激励下的复杂空间运动，讨论系统稳定性随转速、流速和支承边界条件等的变化，探讨内共振和超临界动力学行为。以转速和流速等为基本参数分析平衡点的分岔特性，讨论系统进入混沌运动的条件和途径。设计旋转输流管道振动实验，观察管道的三维振型和涡动轨迹，测量各类失稳的临界转速和临界流速，实现理论－仿真－实验三者相互印证。项目研究可以丰富和发展运动载流结构非线性动力学理论，同时为解决石油钻采工程中钻柱的失效问题提供可靠的理论基础和技术储备。

输流管道是一类典型的流固耦合系统，但在一些特殊的应用中，如石油钻采工程中的钻柱，其工作时是处于绕轴线高速旋转状态中，而空心柱体内外同时又有高速轴向循环流动的钻井液作用。在这种情况下，钻柱受到流体和旋转运动的双重激励，极易发生三维非线性振动。这类振动通常会破坏钻柱系统的稳定性，引起钻柱涡动、混沌运动和钻头跳动，加速钻具和轴承的磨损，破坏密封件和井眼轨迹，严重影响钻井作业。.本项目从石油钻采实际工程中，提炼出旋转输流管道三维非线性动力学的科学问题。针对长期困扰工程技术人员的钻柱机械失效问题，以转子动力学和流固耦合成熟理论为基础，通过解析、半解析分析、数值仿真和平台实验，研究了绕轴线旋转输流管道的三维非线性振动和稳定性问题。建立了旋转输流管道双陀螺系统面内外横向振动、横向－横向－扭转耦合振动及含轴向伸展运动时变系统等几类动力学模型，分析了系统线性、非线性自由振动、流速和转速扰动时的参数振动和外部周期激励下的受迫振动，探讨了旋转管道伴随轴向运动、内外流联合激励和偏心旋转时的特殊动力学行为以及旋转多跨功能梯度输流管道的振动特性，并通过数值仿真和振动实验对理论分析进行了验证。研究发现了旋转输流管道包括周期运动、拟周期运动和混沌运动等在内的多种复杂运动，揭示了双陀螺系统产生各种振动的动力学机理，证明了流固耦合和旋转运动在管道各种动力学行为中的重要作用，并初步提出了抑制管道振动的技术方案。.项目研究深化了无穷维载流连续体流固耦合动力学的认识，拓展了转子动力学理论的应用范围，发展了非自治双陀螺系统动力学的分析方法，为石油钻采工程中高效钻具的设计提供了丰富的理论基础，为改善和控制钻柱的机械失效提供了技术储备。项目研究成果不仅在运动载流结构非线性动力学的分析中有重要的学术价值，同时在能源勘探和开采实际工程中有广阔的应用前景。