基于VIVACE海流能发电技术的海洋立管涡激振动自利用-自控制理论与实验研究

Marine riser is a main equipment in the process of deep sea oil and gas exploitation and transport. It is also one of the most easily damaged marine structures. Vortex-induced vibration (VIV) may lead to unacceptable accumulation of fatigue damage. It is a focus and difficulty problem about how to use special devices to suppress the VIV and ensure the safety of marine riser in ocean engineering area. Because of the complexity of riser and the varying ocean current with space and time, passive methods in the suppression of VIV do not achieve ideal effect, and these passive methods cannot own good performance, low cost and practical application together. A new approach is proposed in this research project. The VIVACE device is used to harvest the ocean current energy in different axial positions of riser, and the energy is utilized to achieve active control of marine riser undergoing VIV. This research project will analyze the flow-induced vibration of two cylinders with unequal diameter, examine the rigid-flexible coupling dynamic characteristics on active control systems of marine riser, build up the active control theories of riser VIV based on the technology of ocean current energy harvesting device(VIVACE) and carry out the experiments to validate the proposed theories. The main purpose is to achieve a breakthrough on the active control theory and technology of VIV, and supply the theory knowledge and engineering methods for vibration control and design of marine riser.

海洋立管是深海油气开采输运过程中的关键装备，也是最薄弱易损的构件之一。涡激振动常引起立管结构疲劳损伤甚至破坏，如何减少或消除涡激振动造成的不利影响，延长立管的使用寿命，一直是海洋工程领域关注的热点和难点。由于海洋立管结构形式复杂，深海海流随时空剧烈变化，传统涡激振动抑制采用的被动措施效果并不理想，很难兼顾动力学性能、成本和实用性。本项目创新性地提出利用海流能发电装置VIVACE，捕获海洋立管不同轴向位置的海流能，并将获取的能量用于立管涡激振动的主动控制。重点研究立管与安装的VIVACE附属小圆柱流激振动、分析立管涡激振动主动控制系统的刚-柔耦合动力学特性、构建基于VIVACE海流能技术的立管涡激振动主动控制理论体系、并搭建实验平台开展实验验证。力图在理论和技术层面实现突破，为海洋立管的振动控制和工程设计提供科学的理论依据和工程实用方法。

海洋立管连接海面作业平台与海底钻采设施，是深海油气工程中的关键装备，其长径比 (长度/直径)可达10^4以上，超长的立管结构仅在上下两端存在约束，在深海油气开发过程中容易发生疲劳损伤。涡激振动(Vortex-induced vibration，VIV)是导致立管结构疲劳破坏的重要因素。消除涡激振动对结构造成的不利影响是海洋工程领域的关键技术难题。传统涡激振动抑制常采用的被动措施，存在诸多缺陷。目前，仍有很大空间发展更具成本效益和性能更加优良的海洋立管涡激振动控制方法和措施。. 本项目通过海流能发电装置VIVACE捕获海洋立管不同轴向位置的海流能，创新性地提出了从涡激振动获取能量并对VIV进行主动控制的策略，建立了能量自利用-自控制的主动振动控制系统。重点研究了其中涉及的理论和技术问题、并搭建实验平台进行实验验证。经过四年的科研攻关，取得了一系列理论层面和技术层面的突破，发表学术期刊论文60篇(其中SCI检索45篇，EI检索期刊13篇)；相关研究成果得到了国内外学者的广泛认可。通过本项目的开展，开拓了海洋立管涡激振动抑制研究的新领域，使得海洋立管主动控制缺乏可靠外界能源输入问题得以部分解决。研究成果可为海洋立管的工程设计及振动控制提供必要的理论保障，具有重要的理论价值和工程意义。