滿管流動懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)研究

徐學(xué)波 劉曉亮 崔銘偉

（1、山東京博石油化工有限公司，山東 濱州256500 2、山東濱化濱陽燃化有限公司，山東 濱州256600 3、濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州256600 4、濱州市應(yīng)用電化學(xué)重點(diǎn)實驗室，山東 濱州 256600）

近年來內(nèi)流對懸跨管道渦激振動的影響成為一個研究熱點(diǎn)，根據(jù)Paidoussis 和Issid（1974）對這方面歷史文獻(xiàn)的研究[1]，早在1939 年Bourrieres 就這個課題公開發(fā)表了第一篇論文[2]，Bourrieres 推導(dǎo)了運(yùn)動方程，并在理論上和實驗上檢驗了輸送流體懸臂管道的動力不穩(wěn)定性[3]。Housner 早在1952 便給出了穩(wěn)定內(nèi)流均勻直管的動力學(xué)方程，揭示了內(nèi)流對系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度影響規(guī)律[4]。

國內(nèi)郭海燕[5-7]同時考慮內(nèi)流與外流對立管結(jié)構(gòu)的共同作用，得到立管橫向與順流向的渦激振動響應(yīng)。以上研究均考慮均是重點(diǎn)分析懸跨管道渦激振動的某一方面，現(xiàn)在還沒有關(guān)于懸跨管道渦激振動的成熟理論體系，也極少有研究內(nèi)流狀態(tài)對懸跨管道渦激振動影響理論成果。論文采用數(shù)值方法研究了滿管流動條件下，海流速度、管內(nèi)流速對渦激振動響應(yīng)的影響，以期為海底懸跨管道完整性運(yùn)行提供理論借鑒。

1 懸跨管道渦激振動數(shù)值分析可靠性驗證

1.1 懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)仿真條件無關(guān)性分析

如不做特殊說明，研究懸跨管道物理參數(shù)如表1 所示。

表1 懸跨管道物理參數(shù)網(wǎng)格密度分析

表2 表示不同網(wǎng)格密度對懸跨管道模型升力系數(shù)、曳力系數(shù)的影響，從表2 可以看出，隨著網(wǎng)格密度的增加，升力系數(shù)CL、曳力系數(shù)CD 逐漸減小，當(dāng)網(wǎng)格密度達(dá)到32 時，升力系數(shù)CL、曳力系數(shù)CD的變化已經(jīng)很小。因此模擬選擇8/10m的網(wǎng)格密度。

表2 不同網(wǎng)格密度模型對升力系數(shù)、曳力系數(shù)的影響

1.2 懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)實驗驗證

本文參考文獻(xiàn)[8]的實驗結(jié)果，驗證了數(shù)值仿真的可靠性，圖1(a)(b)分別表示本文數(shù)值仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[8]中圖3.9-3.13 結(jié)果的對比，從圖1 可以看出，數(shù)值仿真的計算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]實驗結(jié)果吻合的較好，證明本文數(shù)值仿真方法能夠滿足懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)的研究要求。

圖1 仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比

2 考慮滿管流影響的懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)

2.1 不同海流速度滿管流懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)

從表3 可以看出，隨著海流速度增加，橫向振幅越來越大，在vout=3m/s 時達(dá)到最大，vout＞3m/s 后，橫向振幅有所減小，說明vout=3m/s 時懸跨管道處于渦激共振狀態(tài)，與不考慮內(nèi)流懸跨管道渦激共振明顯不同的是[8]，振幅明顯減小，減小接近1 個量級；導(dǎo)致渦激共振的海流速度比相同條件下不考慮內(nèi)流渦激共振的海流速度1m/s 大出許多，接近3 倍。

表3 不同海流速度懸跨滿管流管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)參數(shù)

2.2 不同管內(nèi)流速滿管流懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)

從表4 可以看出，隨著管內(nèi)流速增加，橫向振動頻率變化不大，橫向振動振幅逐漸減小，由內(nèi)流速度vin=0.5m/s 時，看似即將達(dá)到渦激共振，到vin=80m/s 時，懸跨管道渦激振動振幅完全遠(yuǎn)離共振振幅。這樣的結(jié)果雖然不會導(dǎo)致懸跨管道渦激共振，但過大的撓度（在間隙比足夠大的條件下）會導(dǎo)致懸跨管道靜態(tài)瞬間失穩(wěn)，從而造成更大的危險。

表4 不同管內(nèi)流速懸跨滿管流管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)參數(shù)

3 結(jié)論

綜合研究分析，可以得到以下結(jié)論：

3.1 通過網(wǎng)格無關(guān)性、時間步長及渦激振動動態(tài)響應(yīng)實驗驗證，證明論文采用的數(shù)值仿真研究方法得到的滿管流動懸跨管道渦激振動動態(tài)響應(yīng)結(jié)果是可靠的。

3.2 海流速度的增加，橫向振幅增大，與不考慮內(nèi)流懸跨管道渦激共振相比，振幅明顯減小接近1 個量級；渦激共振的海流速度比相同條件下不考慮內(nèi)流渦激共振的大出許多，接近3 倍。

3.3 管內(nèi)流速的增加，橫向振動頻率變化不大，橫向振動振幅逐漸減小，不會導(dǎo)致渦激共振，但過大的撓度（在間隙比足夠大的條件下）會導(dǎo)致懸跨管道靜態(tài)瞬間失穩(wěn)，從而造成更大的危險。