输运脉动内流海洋立管流—固耦合振动特性研究

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1、输运脉动内流海洋立管流-固耦合振动特性研究Studyonthecharacteristicsoffluidstructureinteractionofamarineriserconveyinginternalflowwithpulsatingvelocity学科专业：船舶与海洋工程作者姓名：罗浩指导教师：徐万海副教授天津大学建筑工程学院二零一七年十二月摘要海洋立管是海上油气开采的关键部件之一，具备导气、导液和信息传递等多种功能。在实际工作过程中，立管会受到多种环境载荷作用而发生振动，导致结构累积疲劳，极端情况下甚至破坏。常见的振动形式有管外流体诱发的涡

2、激振动、管内输运流体介质速度脉动和顶端轴向力随时间变化导致的参数振动。近年来，海洋立管涡激振动发生机理和振动特性得到了工程界和学术界广泛的关注，取得了较好的研究成果。管内流体作用下输流管道非线性动力学特性也取得了大量的研究成果，但对于同时考虑管内和管外流体作用，海洋立管的流-固耦合振动特性的研究仍鲜有报道。基于上述不足，本文主要分析了海洋输流立管在外部涡激力、内部脉动流体和顶端轴向力作用下的动力学特性，通过对立管微元与流体微元受力分析，建立了输流管的运动控制方程，对方程进行无量纲化，基于Galerkin法对控制方程进行离散，根据平均化方法将非自治微分方

3、程转化为自治微分方程，并对时变系统的稳定性进行分析，最后考虑横流向与顺流向振动耦合作用，分析了参数振动与涡激振动的耦合响应特性。得到了如下重要结论：(1)脉动内流和随时间变化的轴向力可诱使输流管发生动态失稳，流体阻尼，轴向力，质量比等因素对参数振动的稳定性具有不同程度的影响。(2)在一定条件下，脉动内流和变轴向力会对海洋立管的动力学特性产生重要影响，这种影响主要存在于涡激振动的锁频区。(3)海洋输流立管会在脉动内流和变轴向力作用下会出现概周期运动，但在一定外流速条件下，立管会出现周期运动，并且相比于脉动内流，受到变轴向力的海洋立管更容易出现周期运动。关

4、键词：输流立管，涡激振动，参数振动，尾流振子模型IABSTRACTMarineriserisoneofthemostimportantpartsoftheoffshoreoilproductionandcanbeusedtoconveygas,oilaswellastransferinformation.Intheactualworkingprocess,therisercanbevibratedbyavarietyofenvironmentalloads,resultingincumulativefatigueofthestructure,andev

5、enbreachinextremecases.Thecommonvibrationformsarethevortexinducedvibrationcausedbythetubeoutflow,theparametricvibrationbythefluctuatinginternalflowinthetubeorthevariableaxialforceonthetopend.Inrecentyears,themechanismandthecharacteristicsofvortex-inducedvibrationofthemarineriser

6、havebeenpaidmuchattentionbytheengineeringandacademicworld,andniceresearchresultshavebeenobtained.Alargenumberofresearchresultshavebeenobtainedforthenonlineardynamiccharacteristicsofthepipelineundertheinfluenceofinternalfluid.However,therearefewreportsonthecharacteristicsoffluid-

7、structureinteractionofamarineriser,consideringthefluidintheriserandoutoftheriser.Basedontheabovedeficiencies.Inthispaper,thedynamiccharacteristicsofamarineriserundertheinfluenceofexternalvortexforce,fluctuatinginternalflowandvariableaxialforces.Themotioncontrolequationoftheriser

8、conveyingthefluidisestablishedthroughtheanalysi