由平台运动诱发的钢悬链线立管涡激振动响应特性试验与理论研究

This project focuses on the oscillation characteristics of the Steel-Catenary-Riser (SCR) which is generated by the mutual reciprocating motion between the riser and the fluid around. It aims at discovering the threshold "KC" number under which may generate significant vortex-induced vibration (VIV) of the slender flexible structure based on a spring-mounted rigid cylinder freely oscillating in water. The intrinsic relationships among motion of the platform, dynamic response of the SCR, the oscillating current around the riser and the VIV characteristics are also uncovered by the integration of theoretic analysis and model test. Combined with the typical frequency-domain VIV analysis, a time-domain VIV algorithm would be developed which includes the "time-sharing" feature (different VIV response may happen at different time segment) under oscillating current. This project significantly contributes to the revealment of the VIV characteristics and its mechanisms at the sag-bend part especially the hang-off and touch-down point area of the SCR. It may also lay a solid foundation for the future VIV research of the slender flexible structure under oscillating current. Finally, this project shall provide a fresh idea to a better understanding of the dynamic characteristics of the SCR and the improvement of the vulnerabilities of the riser systems.

课题以由顶部平台运动形成的立管与周围流体之间的相对往复运动（振荡来流）所引发的钢悬链线立管涡激振动响应特性为研究目标；以振荡来流条件下的弹性支撑刚性圆柱体自激振荡研究为基础，以能够激发柔性构件产生涡激振动的临界KC数研究为着手点，进一步运用模型试验与理论分析相结合的方法，探索平台运动、钢悬链线立管动力响应、立管周围振荡来流、涡激振动四者之间的内在关联特性；并与现有的涡激振动频域预报理论相结合，发展振荡来流条件下具有"分时"振动特性（一定来流条件下涡激振动的主导频率和模态随时间发生变化）的柔性立管涡激振动预报方法。此研究对揭示钢悬链线立管悬垂段、顶部悬挂点及底部触地点区域的涡激振动响应特性及其发生机理具有重要的意义；为往复振荡来流作用下柔性构件涡激振动特性的研究奠定基础，为深入认识深水钢悬链线立管的动力响应特性、进一步提高立管系统薄弱点处的设计安全性提供新的思路。

课题以由顶部平台运动形成的立管与周围流体之间的相对往复运动（振荡来流）所引发的钢悬链线立管涡激振动响应特性为研究目标，分别开展了“平台运动诱发钢悬链线立管涡激振动试验”以及“振荡流下柔性立管涡激振动试验”两组试验，旨在探索平台运动、钢悬链线立管动力响应、立管周围振荡来流、涡激振动四者之间的内在关联特性；并与现有的涡激振动频域预报理论相结合，发展振荡来流条件下具有“分时”振动特性的柔性立管涡激振动预报方法。.“振荡流下柔性立管涡激振动试验”的研究成果揭示了振荡流下柔性立管涡激振动的“分时特性”，包括“模态转换”、“幅值调制”。同时，本课题探究了最大约化速度以及KC数对振荡流下柔性立管涡激振动的影响规律，为悬链线立管在振荡来流条件下的涡激振动研究提供机理性分析的基础。.“平台运动诱发钢悬链线立管涡激振动试验”首次从响应频率的角度定量地证实了平台运动诱导的涡激振动本质上为振荡流诱导的涡激振动，揭示了平台运动下立管涡激振动的“分时特性”。同时，确定了最大等效流速、以及最大KC数为平台运动诱发立管涡激振动的控制参数：而当KCmax较大时（至少大于39），平台运动诱发的立管涡激振动完全由最大等效流速主导。建立起了平台运动诱发立管涡激振动的频率响应模型，即涡激振动主导频率、最大等效流速、最大KC数之间均满足St=0.14的斯托劳哈尔关系。最后，提出了两种基于试验结果的涡激振动半经验频域修正模型“最大流速法”及“分时流速法”，能够对平台运动诱发的涡激振动响应进行可靠预报。.本文对揭示钢悬链线立管悬垂段、顶部悬挂点及底部触地点区域的涡激振动响应特性及其发生机理具有重要的意义，为深入认识深水钢悬链线立管的动力响应特性、进一步提高立管系统薄弱点处的设计安全性提供新的思路。