海洋工程中的水弹性问题简介

波浪与锚链等系泊平台的作用问题,非耦合分析半耦合分析耦合分析,非耦合分析方法计算结构物上的波浪作用力锚链按静力分析确定强度,半耦合分析方法事先按静力学方法分析锚链的拉力位移曲线根据波浪作用力，锚链拉力位移曲线分析分析上部结构运动响应，锚链的拉力,耦合分析方法将缆索离散成一系列单元在每一时间步上计算波浪对上部结构作用力、锚链的作用力计算上部结构、各段锚链的动力响应,立管的涡激振动(VIV),无论钻井和生产过程中都需要立管。钻井立管用于容纳流体控制油井。生产过程中，通过立管将石油、天然气送到水面。,水流对立管绕流时在立管后部形成尾涡，由于尾涡释放的不对称性，引起立管横向振动，但同时也产生水流方向的波动作用力，其振动频率应当为横向振动频率的两倍。,涡激振动（VortexInducedVibration，VIV）问题,海洋工程不断向深海进军，工作水深纪录被不断刷新，1999年的纪录是2437m，2000年是2693m，2001年达2953m，2003年达3052m。,在深海工程中立管的长度在两、三千米以上。立管的长度与直径之比为1000以上。这些细长的立管具有十分低的自振基频，而涡激振动的频率则相对较高，水深时涡激振动频率与立管自振频率的第30到第100个自振频率相耦合。在涡激振动频率附近，立管的自振频率非常密集，VIV激振模态下波长与直径之比一般在100量级。,涡激振动时涡激振动频率会保持与立管的某一自振频率一致，这一现象称为频率锁定(Lock-in)。,立管中产生的波动模式为传播波模态，而不是立波模态。,涡激振动是海洋石油开发中采油立管疲劳破坏的主要原因，在多个立管情况下还会造成立管间的相互碰撞。,深海工程中立管设计最具有挑战性，采油立管的造价会超过上部船体和锚泊系统的总和。,采油立管,涡激振动的影响会造成拖曳力放大一倍左右。,对于深海石油开发，必须开展立管涡激振动和疲劳破坏预报的研究！,二、国内外研究现状,分析方法,1、人工检验方法：适用均匀水流。应用Strouhal方程预测VIV频率，对应模态下振动幅值为一倍管径，然后确定立管弯曲形状，计算受弯应力，疲劳损伤率和预计疲劳寿命。2、经验方法：对于非均匀水流，上述方法不便应用，Vandiver（1998），Triantafyllou（1999）等建立一些经验方法3、计算流体动力学方法：CFD方法仍处于发展之中。该方法要求大量的计算时间计算深水立管全长的涡激振动。简化的方法使用分层的二维CFD方法计算流体结构的相互作用。,国外开发的分析软件,NorskhydroUSP:UniversityofSaoPauloDeepflow:InstituteFrancaisduPetroleVIVIC:ImperialCollege,LondonOrcinavortextrackingmodelOrcinawakeoscillatorVIVA:MIT(MassachusettsInstituteofTechnology)VIVANA:NTNUVICoMo:NTNU(NorwegianUniversityofScienceandTechnology)SHEAR7:MITABAVIV:Technip,模型分类,1、Norskhydro，USP，Deepflow，VIVIC,Orcina，Orcina：应用二维CFD分层模型计算水流对立管的绕流和尾涡，计算水流对立管的作用，各层间信息仅通过立管运动变形来交换。时域内求解立管振动。,2、VIVA，VIVANA，VICoMo，SHEAR7，ABAVIV:通过水流对刚性管绕流或刚性管强迫振动建立VIV数据库，应用数据库资料开展VIV分析，确定立管的疲劳。频域内求解立管振动。,实验研究,国外开展了大量的实验研究工作。,实验方法分别有水平和垂向两种。,研究目的是为分析模型建立数据包，或验证数值分析模型。,MARINhighReynoldsVIVtestapparatus,水平杆实验：刚性杆，固定或强迫振动,DeltaFlumeofDelftHydraulics,垂直杆实验：,模型互比,