尾流干涉下海洋立管涡激振动抑制研究

When current or wave flows across the riser at certain speed, there will appear vortex-induced vibration（VIV）, which is an important reason for riser fatigue damage. Comparing with singer riser, the VIV of riser array is more difficult due to wake interference, and will aggravate the fatigue damage. However, the suppression analysis of VIV considering wake interference starts abroad just now, and there is no report at home.In this item, the two dimension VIV coupling model is presented by embedding the structure dynamic response code into FLUENT through the inerface of User Defined Function.Based on strip theory,the vortex force obtained from the VIV coupling model is implanted into the riser dyanmic equation, which can be soluted using Finite Element Method and Nemark method.The corresponding model experiment is conducted in the flume to investigate the VIV suppression of riser array.With the result of model experiment and numerical simulation ,the item will obtain the effect of wake inference on VIV supppression, put forward the rational riser space, get the optimal suppression device parameters by sensibility analysis, provide reference for riser design and research.

海洋立管在波流作用下的涡激振动是导致结构产生疲劳损伤的重要因素,相对于单立管的涡激振动，多立管间的尾流干涉使得立管涡激振动变得更为复杂多变，这种复杂的尾流干涉下的涡激振动，易加剧立管的疲劳破坏，而关于尾流干涉下涡激振动抑制的研究国外刚刚开始，国内还没有相关报道。本项目拟基于切片理论，沿立管轴线方向切出若干个平面，运用动网格技术及用户自定义接口编程，建立二维涡激振动耦合计算模型；采用能量守恒原理建立三维立管振动方程，提取各平面处的涡激力施加到三维立管模型上，运用有限元法及时程分析法获得立管动力响应；最后将数值模拟结果与水槽中尾流干涉下立管涡激振动抑制模型试验结果进行对比，旨在获取尾流干涉对涡激振动抑制的影响规律，提出合理的立管布置间距，并对尾流干涉下绕流装置各参数进行敏感性分析，提出绕流装置最佳结构参数,为深水顶张式立管群的工程设计和科学研究提供参考依据。

海洋立管在波流作用下的涡激振动是导致结构产生疲劳损伤的重要因素,相对于单立管的涡激振动，多立管间的尾流干涉使得立管涡激振动变得更为复杂多变，这种复杂的尾流干涉下的涡激振动，易加剧立管的疲劳破坏。本项目采用切片理论，沿立管轴线方向切出若干个平面，运用动网格技术及用户自定义接口编程，建立二维涡激振动耦合计算模型；采用能量守恒原理建立三维立管振动方程，提取各平面处的涡激力施加到三维立管模型上，运用有限元法及时程分析法获得立管动力响应；最后将数值模拟结果与水槽中尾流干涉下立管涡激振动抑制模型试验结果进行对比。研究结果表明：.（1）串联布置时，立管间距为4-5倍管径时，尾流干涉对串联立管升力存在影响最大，随着间距增大上下游立管所受升力都趋向于单一立管，尾流干涉影响减弱；并联布置时，立管间距离在3-4倍管径变化时，两立管升力系数具有多幅值，呈现不对称性，随着间距增大，不对称性逐渐消失，升力逐渐接近孤立立管。.（2）减振器能能有效地抑制上下游立管的横向振动，所考察的四种尾角的减振器中，45°尾角的减振器抑振效果最好，60°尾角抑振效果次之，75°尾角的减振器抑制效果最不明显，减振器对上下游立管拖曳力的影响不同，其能减小上游立管所受的拖曳力，却使下游立管所受拖曳力增加，但其数值仍远远小于上游立管的拖曳力值；并联布置下，减振器对立管横向振动和减小拖曳力方面都有不错的效果；立管间距为5D时，减振器的抑振效果最好。.（3）控制杆均能有效地抑制立管的横向涡激振动，相比较而言，4根控制杆的抑制效果要优于3根控制杆；但控制杆在立管减阻方面表现不佳，仅对串联布置的上游立管和并联布置的左立管有一定的抑制作用。.（4）分隔板均能有效地抑制立管的横向涡激振动与顺流向拖曳力，L/D=1.0 与L/D=1.5的分隔板拥有较好的抑制效果，间距对左立管抑制效果影响很小，对于右立管来说，间距为4D或5D时抑制效果较好。.该项目的研究成果可为深水顶张式立管群的工程设计和科学研究提供参考依据。