干涉對海洋立管渦激振動影響實驗研究

李 朋，郭海燕，李效民，張永波

（中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引 言

海洋立管是海面與海底井口間的主要連接件，是海洋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。海洋立管內(nèi)部一般有高壓的油或氣流過，外部承受波浪、海流作用，當(dāng)波浪、海流流經(jīng)立管時，在一定的流速下會產(chǎn)生渦旋脫落，使立管發(fā)生渦激振動；當(dāng)海洋立管自振頻率與旋渦脫落頻率接近時，振動會迫使旋渦脫落頻率固定在結(jié)構(gòu)自振頻率附近，發(fā)生頻率鎖定（lock-in）現(xiàn)象，引起管道振動加強，加快立管的疲勞破壞。海洋立管在海中有很多的布置形式，如前后排列，并肩排列，相互交錯排列等。當(dāng)有外流通過時，立管會受到其他立管尾流的影響，我們稱為立管的“干涉”。由于干涉的存在，使得立管的動力特性、動力響應(yīng)以及漩渦的脫落形式同單個立管相比都會發(fā)生較大的變化。國內(nèi)外的學(xué)者對海洋立管渦激振動進行了大量的研究[1-2]，但對立管的干涉這一現(xiàn)象研究較少。

Zdravkovich（1985，1987）[3-4]分別討論了干涉對兩個圓柱體的影響，并對圓柱體的干涉進行了分類，對不同干涉條件下的水流動態(tài)進行分類；研究結(jié)果表明，不同間距及排列方式的干涉會促使漩渦脫落發(fā)生連續(xù)或不連續(xù)的變化。Bokain（1987，1989）[5-6]運用一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測一個彈性圓柱體的馳振不穩(wěn)定性，此彈性圓柱體處在一個上游剛性圓柱體的尾流中；結(jié)論表明，僅當(dāng)下游圓柱體處于上游圓柱體的近尾流中時，這種馳振不穩(wěn)定性才能發(fā)生。Mederios（1992）[7]研究了兩個不同圓柱體由干涉誘發(fā)的振動，斯柯頓數(shù)從10到300，在三種基本布置形式下，測量了兩個圓柱體橫向和來流向的振幅。Hover（2001）[8]研究了一個上游圓柱體固支，下游圓柱體可以在橫向自由振動的兩圓柱體的干涉，試驗中兩圓柱體的間距為4.75D（D為圓柱體直徑），分別測量了振幅、曳力及升力系數(shù)。Huera Huarte（2011）[9]進行了兩個具有大長細(xì)比、低質(zhì)量比的管道前后排列，間距在2～4D的干涉影響實驗；結(jié)果表明，隨著約化速度的變大，動態(tài)反應(yīng)由于兩管間距及兩管之間是否存在漩渦脫落而不同。Assi（2006）[10]進行了前后排列的兩管干涉實驗研究，間距變化在2～5.6D之間，在間距3～5.6D時，觀測到了顯著的“galloping-like”現(xiàn)象，并打算進行高約化速度實驗來驗證。Brika（1997，1999）[11-12]對比了一個完全彈性圓柱體在一個固定圓柱體尾流作用下的結(jié)果，間距從7D到25D；和單獨管相比，鎖振時下游管約化速度增大并且比單獨管有更廣闊的反應(yīng)區(qū)域。

綜上所述，對干涉實驗國內(nèi)尚未見有研究報道，國外學(xué)者已進行了一些卓有成效的研究，但同時進行前后排列、并肩排列且邊界均為鉸接的實驗研究國外還非常少，僅有的幾篇報道[8-12]數(shù)據(jù)離散性較大，結(jié)論尚不統(tǒng)一。本文設(shè)計了前后排列、并肩排列，邊界均為鉸接的兩組立管模型干涉實驗和一個單獨立管模型的渦激振動實驗，實驗中，通過變化外流速，兩管間距以及同單獨立管的結(jié)論進行對比，對立管干涉影響規(guī)律進行了研究和探討。

1 實驗設(shè)備

圖1 實驗水槽Fig.1 Experimental tank

圖2 實驗支架Fig.2 Experimental support frame

實驗在中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室風(fēng)—浪—流聯(lián)合水槽進行，水槽長65 m，寬1.2 m，高1.75 m，最大流速0.8 m/s，如圖1所示。置于水槽中的立管需要固定在特定的裝置上，根據(jù)水槽的寬度和立管模型的長度設(shè)計了用于固定立管的鋁合金支架；為防止在外流的作用下支架自身也隨之振動，支架通過螺栓與水槽相連，并在支架上增加斜支撐；在支架的迎水面設(shè)計了可滑動的槽道，可以使立管在并肩排列和前后排列時方便地改變兩管之間的間距，如圖2所示。

實驗中采用多譜勒測速儀來測量外流速，實驗外流速從0.3～0.8 m/s，每級增加0.1 m/s，實驗水溫在15℃左右，計算可知，雷諾數(shù)變化范圍為5 000～12 000。實驗立管模型采用透明有機玻璃材料，立管外徑為18 mm，壁厚2 mm，試驗中立管均采用鉸接形式，從而可以使立管在橫向及來流向自由振動，立管長度的50%處于水面以下，立管詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 實驗立管詳細(xì)參數(shù)表Tab.1 Detailed parameters of the risers

為了研究立管的干涉現(xiàn)象，分別進行兩立管前后排列、并肩排列的渦激振動干涉實驗，在相同工況條件下，進行了單獨立管的渦激振動實驗作為對比。為了測得立管沿長度的振動曲線，沿立管長度布置五組測點。立管干涉實驗布置形式如圖3、圖4所示，前后排列和并肩排列均采用相同的變化間距，分別為3D、4D、5D、6D、7D和10D。立管橫截面如圖5所示，每個測點布置四組應(yīng)變計，分別測量來流向（X向）和橫向（Y向）振動，應(yīng)變計在粘貼時嚴(yán)格按照粘貼規(guī)則及步驟進行，粘貼完畢后涂抹704防水膠。

圖3 干涉實驗立管布置詳圖Fig.3 Diagram of experimental set-up

圖4 干涉實驗實況Fig.4 Scene of interference experimen t

圖5 立管橫截面應(yīng)變計粘貼詳圖Fig.5 Cross-section of the riser model

試驗中最大漩渦脫落頻率低于10 Hz，采樣頻率設(shè)置為256 Hz，從而能避開信號混淆。實驗外流為均勻流，為防止外流不穩(wěn)定對立管動力響應(yīng)的影響，在達到一級目標(biāo)流速，且流速穩(wěn)定后開始采樣，并實時觀察流速讀數(shù)，如有變化，則重新采樣，采樣時間為40 s。測量得到隨時間變化的應(yīng)變信號，通過編制程序?qū)λ玫降膽?yīng)變信號轉(zhuǎn)換后可得到立管的位移、振幅及頻率等振動特性。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 立管前后排列

圖6為不同間距時，前后排列立管隨外流變化的無量綱位移時程曲線以及頻譜圖，其中D為立管外徑，Y/D為無量綱位移，3D-F表示兩管間距為3D時的上游立管，3D-B表示兩管間距為3D時的下游立管，其他間距時表示方法相同，V為外流流速，圖中所示曲線均為立管橫向振動位移曲線。

2.1.1 下游立管動態(tài)響應(yīng)分析

由圖6可以看出，隨著外流速的增加，立管振幅呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢，本次實驗外流從0.3 m/s開始，外流較小時，不同間距對振幅雖有影響，但影響較?。挥蓤D7（a）可知，在V=0.3、0.4 m/s時，不同間距的振幅范圍分別在0.02～0.065D，0.1～0.14D，變化不大；外流速0.5 m/s時，這種單調(diào)性的增加開始發(fā)生變化。間距為10D時，立管振幅增加幅度逐漸減小，外流速0.6 m/s以后，振幅處于各間距中的最小值，而間距為4D時，立管振幅增加幅度逐漸增大，外流速0.6 m/s以后，始終處于最大值。當(dāng)外流速達到0.8 m/s時，間距10D時，下游管位移最大值為0.59D，而間距為4D時位移最大值為0.71D，下游管不同間距時的位移變化被包絡(luò)在4D與10D時的下游立管位移之間。

圖6 不同間距時下游管隨外流變化的位移時程曲線及頻譜圖Fig.6 Variation of time histories of downstream riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

由圖7可以得到，單獨立管在V=0.6 m/s時發(fā)生經(jīng)典的VIV鎖振，隨著外流速的增加，立管振幅逐漸減小，跳出鎖振區(qū)域。同單獨立管相比，間距3～7D時，V=0.6 m/s以后下游立管振幅仍呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，并沒有出現(xiàn)振幅的急劇增加或減小，外流0.8 m/s時，幾種不同間距的工況下位移最小值為3D時，為0.59D，最大為4D時，為0.71D，而單獨立管僅為0.37D，與此相比，不同間距下（3～7D）的下游立管，振幅增加均超過50%。而由圖7（b）可以看出，單獨管的振動曲線與間距10D時基本一致，只是在外流超過0.7 m/s時，間距10D時的下游立管振幅有增大的趨勢，由此說明，間距為10D時，上游立管對下游立管的振動仍有較大影響。由圖7還可以看出，外流V=0.6 m/s以后，和單獨立管相比，沒有觀測到一個峰值，各個間距下的振幅隨外流都單調(diào)增加，但增加幅度逐漸減小，這種現(xiàn)象可能是由于下游立管漩渦脫落產(chǎn)生振動并被上游立管的漩渦脫落所加強，從而導(dǎo)致振幅變大。

圖7（a） 為不同間距時下游立管和單獨立管隨外流變化的位移最大值；（b）為下游立管和單獨立管隨外流變化的位移均方根值Fig.7 (a)The maximum displacement/diameter of the downstream and single risers versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the downstream and single risers versus current velocity with different distance

2.1.2 上游立管動態(tài)響應(yīng)分析

由圖8可知，立管振幅都隨著外流速的增大而逐漸增大，但較上游立管振幅偏小，不同間距之間的幅值在同一級外流下差別不大，但仍有一定的規(guī)律性，特別是在V=0.6 m/s以后，隨著間距的增大振動幅值逐漸增大，如在V=0.8 m/s時，隨著間距的增大，位移值分別為0.32D、0.33D、0.34D、0.37D、0.40 D和0.41D。

圖8 不同間距時上游立管隨外流變化的位移時程曲線及頻譜圖Fig.8 Variation of time histories of upstream riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

由9（a）可以看出，在間距為3D、4D、5D的上游立管在試驗中均觀測到了鎖振現(xiàn)象，這與單獨立管的現(xiàn)象相似，但與經(jīng)典的VIV鎖振現(xiàn)象不同的是，在跳出鎖振區(qū)間后，振幅下降很小，如間距為4D時，當(dāng)鎖振時位移均方根值為0.22D，而跳出鎖振時為0.21D，變化較小，較同一外流速的單獨管，位移均方根值較大且減小趨勢緩慢，間距為6D、7D、10D的立管沒有觀測到鎖振現(xiàn)象，振幅呈單調(diào)增加的趨勢，只是在V=0.6 m/s以后，這種增加的趨勢變得非常緩慢。

圖9（a） 為不同間距時上游立管和單獨立管隨外流變化的位移最大值；（b）為上游立管和單獨立管隨外流變化的位移均方根值Fig.9 (a)The maximum displacement/diameter of the upstream and single risers versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the upstream and single risers versus current velocity with different distance

由上述分析可知，下游立管幅值均單調(diào)性地增加，只是不同間距下振幅值及增加幅度不同，與單獨管相比，沒有觀測到經(jīng)典的VIV鎖振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能是由于下游立管漩渦脫落產(chǎn)生振動并被上游立管的漩渦脫落所加強，從而導(dǎo)致振幅變大。由此可知，改變了兩者的間距從而改變了干涉的影響區(qū)域，促使漩渦脫落形式發(fā)生變化，使兩立管由于漩渦脫落引起的振動發(fā)生顯著改變。

圖10 不同間距時來流向右側(cè)立管隨外流變化的位移時程曲線及頻譜圖Fig.10 Variation of time histories of the right(from the in-line direction)riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

2.2 立管并肩排列

圖10為不同間距時，并肩排列立管隨外流變化的無量綱位移時程曲線以及頻譜圖，本次實驗較以前研究兩立管間距相對較大，分別變換5種不同間距，以來流向右側(cè)立管討論并肩排列在不同間距時干涉對立管渦激振動的影響規(guī)律。

與前后排列不同的是，兩立管在各個間距下都發(fā)生了VIV鎖振，由于支撐條件及管材的差異性，在較大流速時振幅有所差別，但差別不大，如V=0.7m/s時，間距為3～10D時立管的振幅分別為0.62D、0.69D、0.66D、0.65D、0.72D和0.69D。與單獨管相比，僅在流速較大時，振幅相差較大，如V=0.8 m/s時，單獨管振幅為0.37D，而各種間距下振幅的最小值為間距3D時，為0.61D，這與前后排列時的結(jié)果相似，這種現(xiàn)象也可以解釋為相鄰立管的尾流相互干涉導(dǎo)致振幅變大，但規(guī)律性不強，還要進行更深入的研究。

而圖11（b）將這種差異體現(xiàn)得更加明顯，較單獨管，立管在各個間距下特別是小流速時，振幅增加較為平緩，振幅總體變化趨勢和單獨管相似；但隨著外流速的增加，特別是發(fā)生鎖振現(xiàn)象時，并肩排列的立管比單獨管振動更加劇烈，振幅增加相對值更大。由圖11還可以看出，不同間距下立管的振動有一定的離散性，如V=0.8 m/s時，間距為3～10D時的立管振幅分別為0.61D、0.70D、0.63D、0.62D、0.73D和0.75D，沒有觀測到隨間距明顯規(guī)律性的變化。

圖11（a） 為不同間距時來流向右側(cè)立管和單獨立管隨外流變化的位移最大值；（b）為來流向右側(cè)立管和單獨立管隨外流變化的位移均方根值Fig.11 (a)The maximum displacement/diameter of the right(from the in-line direction)riser and single riser versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the right(from the in-line direction)riser and single riser versus current velocity with different distance

3 結(jié) 論

通過實驗研究了兩個端部均為鉸接的海洋立管分別在前后排列、并肩排列時的相互干涉作用，試驗中分別變換不同的間距，并與單獨立管的動態(tài)響應(yīng)進行對比，實驗結(jié)果表明：

（1）兩立管前后排列時，下游管在不同間距時振幅隨外流均呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，增加幅度在外流較大時變小，間距為4D時的下游管振幅較其他間距始終最大，立管不同間距時的位移變化曲線被包絡(luò)在4D與10D時的下游立管位移之間。

（2）兩立管前后排列間距為3～7D時，下游管與單獨立管相比，振幅增加均超過50%，各個間距下的振幅隨外流都單調(diào)增加，沒有觀測到一個峰值，沒有觀測到經(jīng)典的VIV鎖振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能是由于下游立管漩渦脫落產(chǎn)生振動并被上游立管的漩渦脫落所加強，從而導(dǎo)致振幅變大。

（3）兩立管前后排列時，特別是間距為3～5D時，從上游立管觀測到了鎖振現(xiàn)象，與單獨管不同的是，跳出鎖振區(qū)間后振幅減小趨勢緩慢。

（4）兩立管并肩排列時，振動體現(xiàn)出一定的對稱性，與前后排列不同的是，兩立管在各個間距下都發(fā)生了VIV鎖振。在外流速較大時，與單獨管相比，振幅相差較大。不同間距立管的振動有一定的離散性，沒有觀測到隨間距明顯規(guī)律性的變化。

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