高雷诺数下粗糙柔性立管涡激振动响应特性实验与数值研究

The hydrodynamic coefficients used in current numerical methods for predicting vortex-induced vibration (VIV) on a riser are derived from a forced vibration experiment using a smooth, rigid cylinder under a subcritical flow regime. However, a riser is usually subjected to critical or supercritical flows in actual deep sea engineering applications. Furthermore, a full-scale riser is not smooth and its surface is rough instead. Studying the hydrodynamic coefficients and the corresponding VIV responses for a rough flexible riser is a very difficult problem in industrial applications and a key issue for academic research. To solve this problem, this project focuses on understanding the VIV response mechanism by developing a numerical method for a rough flexible riser under a high Reynolds (Re) number regime, thereby describing the performance of the wake region and the hydrodynamic coefficients. The VIV response performance will be determined in model tests and numerical studies, and a numerical method will be established for predicting a rough flexible riser under high Re regime. These studies make a significant contribution to understanding the coupling mechanism of VIV for a rough flexible riser. Finally, the results of this project can be applied to scientific problems to facilitate a better understanding of VIV response performances and to improve the safe design of deep sea risers.

当前立管涡激振动响应的数值研究所采用的水动力系数均是来源于亚临界雷诺数下的刚性光滑圆柱体强迫振动实验。而实际深海工程中，立管所处的雷诺数大多位于临界甚至超临界区域。此外，真实的海洋立管表面并不是光滑的，而是具有一定的粗糙度。针对高雷诺数下粗糙柔性立管的水动力系数及其涡激振动响应，是工业界极为关注的难点，也是当前学术界的研究热点。基于此，本课题以发展高雷诺数下粗糙柔性立管涡激振动响应的机理与预报为研究目标；以获得粗糙柔性立管的尾流特性、水动力载荷特性为研究着手点；进一步运用模型实验和数值研究相结合的方法，探索高雷诺数下粗糙柔性立管的涡激振动响应特性，并发展相应的预报方法。此研究对揭示高雷诺数下粗糙柔性立管的涡激振动响应机理具有重要意义；为深入认识深水立管的涡激振动响应特性、进一步提高深水立管的设计安全性解决其中的关键科学问题。

圆柱体涡激振动响应问题广泛存在于海洋油气工程应用中，如：用于油气传输的海洋立管以及海底管道在一定的来流作用下均会发生涡激振动响应，而结构涡激振动响应是结构安全设计过程中必须考虑的关键性因素之一。海洋圆柱体结构在使用期间，会有一些海洋生物体附着在结构表面上，从而使得结构表面具有一定的粗糙度，表面粗糙度的变化会导致作用在结构上的水动力载荷发生变化，进一步对结构的涡激振动响应产生影响。基于此研究背景，本项目主要展开了两部分研究，第一部分研究为粗糙圆柱体涡激振动响应特性CFD数值方法研究；第二部分研究为细长柔性圆柱体快速预报模型研究。通过上述研究发现：i). 当圆柱体表面粗糙度较小时，在初始分支区间以及上分支区间时，此时结构振动频率比小于1，相位角基本在0度附近，结构尾部漩涡泄放模式均为2S模式；当由上分支区间进入低分支区间时，此时结构振动频率比从小于1变为大于1，导致相位角从0度附近突变到180度附近，进一步导致结构尾部漩涡泄放模式从2S模式突变到2P模式；ii). 当圆柱体表面粗糙度较大时，当处在初始分支区间时，此时结构振动频率比小于1，相位角基本在0度附近，结构尾部漩涡泄放模式均为2S模式；当处在低分支区间时，此时结构振动频率比大于1，相位角基本在180度附近，结构尾部漩涡泄放模式呈2P模式；iii). 随着张力的增加，结构振动响应幅值呈略微下降趋势，而结构振动响应频率呈略微上升趋势，结构振动波长呈明显上升趋势。结构涡激振动响应特性首先呈现出驻波特性，随之出现驻波与行波混合的特性，最后呈现出完全行波的特性。本项目得到的CFD数值研究技术可方便推广至三维圆柱体振动研究领域，该研究技术可深入揭示圆柱体发生涡激振动时尾部流场激励特性，从而加深对粗糙圆柱体涡激振动响应机理的认识；与传统的实验模型相比，本项目得到的快速数值预报模型可大幅降低研究成本，该预报模型可顺利推广至实际深海工程中细长柔性圆柱体涡激振动响应的复杂多工况计算。