段塞内流与剪切外流共同作用下柔性立管振动响应实验研究

Offshore oil and gas have already been the important strategic substitute resources to safeguard our energy security. Flexible riser, as the lifeblood of transporting oil and gas in deep-sea exploitation, can not get rid of continuous vibration under the coupling action of high-pressure oil-gas slug flow and shear current. It is lurking a great security risk. The object of this work is to investigate the vibration response of free-hanging flexible riser under the coupling action of internal slug flow and external shear current. Dual fluid-structure interaction vibration experimental device will be designed and constructed, taking into account the flow similarity criterion and vibration similarity criterion. The vibration response and slug flow characteristics will be recorded synchronously by the no-intervention high-speed camera. And the recorded pictures will be decoupled. A great number of flexible riser vibration tests will be conducted under the condition of only internal flow, only external flow or both internal and external flow environments. Then the spatial and temporal distribution of slug flow and vibration mode, vibration frequency and vibration displacement of flexible riser varying with time will be analyzed, in order to reveal the dual fluid-structure interaction vibration mechanism of flexible riser under the coupling action of internal and external flow. This study may provide technical support service for the safety of marine flexible risers.

海洋油气是保障我国能源安全的重要战略接替资源，柔性立管作为深海油气开发输送油气流的命脉，在高压油气段塞内流与剪切海流的共同作用下无法摆脱持续振动，潜伏着巨大的安全隐患。本项目以气液段塞内流与外部剪切海流共同作用下的自由悬挂柔性立管振动响应为研究对象，兼顾流动相似与振动相似，设计内外流共同作用下立管的双重流固耦合振动响应实验装置；探索并构建高速摄像非介入、无干扰同步采集管线振动和管内段塞流特征的实验测试新方法及解耦分析手段；开展内流、外流交叉存在和同时存在的多工况柔性立管振动测试，分析段塞流动特征参数的时空分布规律及柔性管三维振型、振频与振动位移随时间的变化规律，以揭示内外流协同作用下立管的双重流固耦合振动机理。研究成果将为海洋柔性立管的安全服役提供理论支撑和技术指导。

柔性立管是深海油气开发的命脉，在高压油气段塞内流与剪切海流的共同作用下无法摆脱持续振动，潜伏着巨大的安全隐患。为了保证其安全稳健的运营，本项目以气液段塞内流与外部剪切海流共同作用下的自由悬挂柔性立管振动响应为研究对象，采用了相似模型实验和高速摄像测试技术，设计了内外流共同作用下立管的双重流固耦合振动响应实验装置；构建了高速摄像非介入、无干扰同步采集管线振动和管内段塞流特征的实验测试新方法及解耦分析手段；开展了内流、外流交叉存在和同时存在的多工况柔性立管振动测试；分析了段塞流动特征参数的时空分布规律及柔性立管振动位移随时间的变化规律，揭示了内外流协同作用下立管的双重流固耦合振动机理。研究结果表明：.1. 内流流致振动主要发生柔性立管所在平面，且两个方向的振动相互关联。随着气液比的增大，管内液塞长度迅速减小，但气相运移速度加快，造成了振动频率的增加。立管振动由多频参与，其中一个频率与立管压力波动频率一致，表明了流固耦合效应。.2. 剪切外流作用下的柔性立管既存在平面内振动，又出现了平面外振动，且平面内、外的振动响应模态不一致，在时空上存在不同步性，不同阶振动模态过渡时伴随着相位的跳跃和尾流旋涡脱落模式的转换。.3. 在内外流耦合作用下，柔性立管呈现出更为复杂的三维振动特性和瞬变性。内部不稳定段塞流引起了系统质量比的变化，由其引发的平面内振动造成了立管几何形状的不断变化，从而对外部绕流流场产生直接影响；同时，外流引起的涡激振动又对管内段塞流动产生影响，造成了管内液塞长度的改变。内流的存在一定程度地增强了振动，但外流涡激振动主导了最终的立管响应。.本项目研究成果为实验研究多相流与双重流固耦合振动同时存在的复杂工程问题提供了有效的测试评价方法，为实际深水海洋柔性立管安全服役提供了理论支撑和技术指导。