深海立管内波作用的动力特性及海洋环境联合作用的极值响应研究

Deep-sea riser is an important part of offshore engineering. The impact of internal waves on offshore structures can not be ignored, moreover, internal wave may be a serious threaten to the safety of deep-sea riser which get through the whole depth of seawater. However, because internal wave is inactive in the world main oil-producing area, such as the Gulf of Mexico, West Africa and Brazil, the internal wave has not been considered in any international marine engineering specifications. The wave resistance of cylinder in internal wave and the dynamic responses of riser under internal wave are studied experimentally in the 2D stratified flow tank. Meanwhile, the data monitored in South China Sea is used as the basis of the experiments above mensioned. A force model which expresses the act on slender marine structures by internal wave will be built. To study the nonlinear dynamic characteristics and dynamic responses of marine riser, nonlinear dynamics, hydrodynamics and the finite element method are applied and the marine environment element such as internal wave, current and surface wave was concerned. The nonlinear dynamic response and extreme response of deepwater riser under combined excitations are simulated numerically. The aim of this project is to obtain the dynamic characteristics of deep-sea riser under internal wave, to provide an analysis method for dynamic force model which describes the effect by internal wave, to reveal the failure mechanism of marine riser under the combined excitations of ocean environment elements including internal wave, to establish relevant failure criteria and finally to provide scientific basis for the structure design and the safety operation of deepwater riser.

深海立管是海洋工程结构的重要部件。内波对海洋工程结构会造成严重威胁，而对于贯穿整个海洋水深范围内的立管威胁更大，然而由于世界主要产油区墨西哥湾、巴西海域及西非海域内波活动较少，当前国际相关规范并未考虑内波作用。本项目基于南海内波监测数据，在二维分层流水槽做圆柱体内波波阻实验和立管结构动力响应试验，建立内波对细长结构作用力模型，应用非线性动力学、水动力学理论和有限元法，研究深海立管在内波作用下的非线性动力特性和动力响应；综合考虑内波、海流、波浪等海洋环境要素，对深海立管非线性大幅度耦合运动响应进行数值模拟，研究立管在海洋环境荷载联合作用下的极值响应。本研究目标是给出立管在内波作用下的动力特性，提出基于流体力模型的立管内波作用动力响应分析方法，揭示立管在波浪、流、内波等海洋环境荷载联合作用下的失效机理，建立相应的破坏准则，为深海立管设计、安全运行提供科学依据。

近年来，内波造成海洋工程结构物的破坏屡见报道，对于海洋油气开采中必不可少而又贯通水深的立管而言，内波经过时势必会对其产生重大影响。本项研究采用实验和数值模拟两种方法探讨内波对圆柱体的作用力，再将此作用力施加在海洋工程中常用的两种立管（顶张力立管和钢悬链线立管）上，用数值方法分析其动力特性，最后研究海洋内波与表面波和顶部浮式结构共同作用时海洋立管的动力反应。. 首先在内波水槽中进行竖直圆柱体内孤立波作用试验，采用染色摄影技术以及PIV示踪粒子技术获得内波波形和流场时空特征。利用测力系统测量处于不同深度的小段圆柱体作用力，从而确定内孤立波对其作用力沿深度的分布情况。. 其次，采用KdV方程或mKdV方程模拟内孤立波波形、波致水质点速度和加速度，再结合Morison公式建立内孤立波作用力模型，将数值模拟的计算值与实测值进行对比，结果表明：采用KdV或mKdV方程得到的波形、下层流体中内波致流速大小、方向以及流速沿深度的变化情况与试验结果基本一致。. 然后，基于柔性杆理论建立顶张力立管和钢悬链线立管的运动方程，采用内孤立波作用力数值模型模拟内波作用力，在时域内对内波作用下两种深水立管的动力特性和极值响应进行数值求解，编制计算程序，并用该程序对南海实测内孤立波作用下的两种立管进行数值模拟。结果表明：立管在内孤立波强烈的剪切作用下会产生很大的应力，两层流体界面附近的立管区段有可能发生剪切破坏，此时立管设计应该考虑内波作用。. 最后，同时考虑内孤立波、海浪、顶部浮体运动等荷载的共同作用，建立深水顶张力立管和钢悬链线立管在多种荷载作用下的非线性运动方程，用有限元法在时域求解，得到立管的联合响应, 进而探讨立管的安全评估准则。结果表明：内孤立波对立管的影响远大于表面波的作用，顶部浮体运动的作用也很显著。当立管遭受这三种荷载联合作用时，立管以表面波和顶部浮体运动的频率振动，而内波的作用则是缓慢巨大的冲击作用。