圆柱尾流中弹性支撑圆柱振动机理研究

Risers are the key parts of the offshore oil-exploration platform. The fluid-structure interaction, associated with one riser in the wake of another, may lead to violent structural vibration, fatigue and even catastrophic disaster. The fluid-structure problem of the riser system may be simplified as a flexibly supported cylinder (diameter D) immersed in the wake of another rigid cylinder of diameter d. This work aims (1) to examine systematically the cross-flow induced vibration of the downstream cylinder when d/D, spacing ratio L/d and reduced velocity Ur are changed over 0.2 - 1.0, 1.0 - 5.5, and 3.2 - 64, respectively, where L is the distance between the upstream cylinder center to the forward stagnation point of the downstream cylinder; (2) to analyze the flow structure and to measure flow-induced lift, added damping, added mass, and energy transfer between the flow and cylinder to understand the underlying physics and mechanisms behind the violent structural vibration; and (3) to investigate the effect of the downstream cylinder rotation on the flow-induced vibration.

立管是海底石油勘探钻井平台的关键部件。立管与其它立管或平台部件尾流的流固耦合现象，可产生强烈的振动，引起灾难性海难。项目将立管系统流固耦合问题简化为一个弹性支撑圆柱（直径D）置于另一个直径为d固定圆柱尾流中的流致振动问题。项目目标包括：(1)系统研究当d/D，距离比L/d和约化速度Ur变化为0.2-1.0，1.0-5.5和3.2-64时下游圆柱横向振动响应，其中L为上游圆柱中心到下游圆柱前驻点的距离；(2)分析尾流结构，测量流致升力，附加阻尼，附加质量和流体和圆柱间的能量传递，揭示流致振动的内在机理；(3)研究下游圆柱旋转对流致振动特性的影响。

立管是海底石油勘探钻井平台的关键部件，立管之间或其与钻井平台支撑部件尾流的流固耦合作用可使其产生强烈的振动，甚至引发结构性破坏。本项目将立管结构简化为串列双圆柱模型并首次对一个置于直径为d的固定圆柱尾流中的弹性支撑圆柱（直径D）的振动响应进行研究，。研究发现较小的直径比（d/D ≤ 0.4）会使上游圆柱尾流宽度变窄从而更易发生剪切层在下游圆柱上、下表面附着点位置的转变，进而诱发下游圆柱的剧烈振动（驰振）。此外，我们还首次给出了驰振出现的机理解释。驰振初始是由自然涡脱频率触发，随后漩涡的脱落和剪切层附着点在下游圆柱上下表面的切换使振幅逐渐增大并最终达到稳定值。在稳定振动阶段，柱体的振动是由剪切层在柱体表面附着点的不断更替所维持的。对于两个串列弹性支撑圆柱的自由振动响应，可分为四种：（1）当驰振发生时，上游圆柱的振幅大于下游圆柱；（2）上游圆柱的振幅可能大于或小于下游圆柱，具体变化取决于流速的大小；（3）上游圆柱体的振幅比下游圆柱体弱，与流态（1）的特征相反；（4）两个圆柱体的振幅都较小。研究发现下游振动圆柱尾流中会产生两种漩涡，根据是否与剪切层发生耦合可分别命名为耦合涡和非耦合涡。耦合涡产生于下游圆柱与间隙剪切层的相互作用，其从再附的剪切层中吸取能量并对圆柱做正功；非耦合涡从自由剪切层中产生，对圆柱做负功。处于固定圆柱尾流中的旋转弹性支撑圆柱，其相对应的相互作用机理更为复杂且振动也更加剧烈。相关的研究成果可以为立管的优化设计提供理论依据。通过选取适当的直径比或间隙比可以有效避免驰振现象的产生及因流致振动而造成的损坏，进而提高设备的稳定性和使用寿命。