立管内气液两相流动与海洋环境共同诱发立管振动耦合研究

To solve the key technical issues of the gas-liquid-solid multiphase coupling for the riser vibrations and the coupled influences of the external vortex and the internal slug flow on the riser vibrations, the research on the hydrodynamic characteristics of the internal and the external flow field of the marine riser, the vibration characteristics with various multiphase flow patterns in the riser, the vibration characteristics with different external flow conditions of the riser and the theories of the coupled effects of the external vortex and the internal slug flow induced vibrations of the riser will be conducted. The flow control parameters of different multiphase flow patterns in the riser will be obtained through the study of the hydrodynamic characteristics of the internal or external flow field of the riser; the mathematical model of the transient impact on the riser system caused by the gas-liquid tow-phase flow and mathematical model of the riser system vibration responded will be established, according to the research on the coupling vibration theory of the rise under the both internal and external field flow; the vibration process when the riser is exposed to both the internal and external flow in marine environment can be simulated by investigating the riser vibration characteristics with gas-liquid-solid multiphase coupling. This research will provide support for the design of the riser system, the fatigue damage and the service life prediction of the riser system, and also will establish a theoretical foundation for the development of the deep sea oilfield exploring technology in China.

通过对海洋立管系统中立管内外流场的水动力特性、立管内不同流型作用下的立管振动特性、立管外流作用下的立管振动特性、立管外流涡激振动与管内段塞流耦合振动理论等方面进行研究，解决立管振动气-液-固多相耦合以及立管系统外流涡激振动与管内段塞流诱发振动耦合等关键技术难题。通过研究立管内、外流场的水动力特性，得到实现立管内气液两相流不同流型的流动控制参数；通过研究立管内、外流场共同作用下的立管振动耦合相关理论，建立气液两相流对立管系统的瞬态冲击数学模型、立管系统振动响应数学模型；通过研究气-液-固多相耦合立管振动特性，模拟海洋环境中立管系统同时遭受内部复杂气液两相流动以及外部海流共同作用下的立管振动过程，为立管系统设计、疲劳损伤与寿命预测提供有力的理论支持，为我国深海油田开发技术的发展奠定一定的理论基础。

海洋立管承受管内流体流动作用和管外海洋环境荷载作用下诱发的管道振动可能引起管道疲劳损伤、破坏等问题。本项目采用理论推导、数值模拟与实验研究相结合的方法，对气液两相流海洋立管系统的动力响应计算方法及内部流动与外流涡激作用下的立管耦合振动特性进行了研究，得到了以下研究结果：（1）搭建了立管实验装置模拟海洋立管系统，实验观测到了7种两相流流型，对不同流型的压力波动特性进行测试。建立了立管系统中的气液两相流数值模型，分析了不同流型下平均流速、质量流量、含气率、流体冲击力等瞬态参数的变化规律。（2）采用平衡法推导得到了气液两相流管道耦合动力学模型，确定了动力响应计算中相关的两相流参数，将建立的动力学模型的计算结果与软件仿真结果和实验结果进行对比，验证了本文数学模型及数值方法的可靠性。（3）建立了气液两相流海洋立管系统的模态分析方法，评估了不同流态的气液两相流引起弹性基础上海洋立管的振动特性，发现气液两相流和弹性基础对立管系统的固有频率和振型有显著影响。（4）基于改进的严重段塞流瞬态数学模型和平面刚架理论，建立严重段塞流海洋立管耦合振动数学模型，研究了严重段塞流引起的海洋立管振动响应，分析了严重段塞流引起的立管系统位移响应、内力和支承力变化。（5）建立了立管系统外部涡激振动与管内段塞流双向耦合模型，选用Chaplin实验验证了模型精度，模拟计算了不同液塞长度、速度和段塞周期条件下的涡激振动特性，得到了内、外流场耦合作用下的立管振动特性。研究成果可用于海洋立管系统的动力学行为预测及评估，对海洋立管系统的疲劳损伤与寿命预测，支承防护，抑振、抗震设计，建造及作业安全等具有重要意义。