串列圓柱體尾流、尾渦耦合振動試驗研究

關德寶，黃維平，宋 虹，田會元，耿翱翔，魏立波

（中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100）

串列圓柱體尾流、尾渦耦合振動試驗研究

關德寶，黃維平，宋 虹，田會元，耿翱翔，魏立波

（中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100）

基于模型試驗方法設計的試驗裝置能抑制上游立管渦旋產生，研究不同工況時上游立管對下游立管影響。分別對上游立管部產生渦激振動與產生渦激振動兩種試驗模型進行不同流速、不同間距條件的流致振動試驗，通過觀察渦旋脫落、測量模型振動分析上游立管有無抑渦設備及上游立管對下游立管橫向振動影響。研究表明，上游立管對下游立管振動產生影響，不同于孤立單管。上游無抑渦設備時下游立管的橫向振動隨立管間距先增大后減小；有抑渦設備時上游立管橫向振動在某倍管徑后穩定在某定值基本不變。

上游立管；下游立管；間距；流速；抑渦設備

開發海上石油需布設大量立管，其流場之間相互影響，流場參數與孤立立管結構差異較大［1］。對受力復雜、環境惡劣大跨度細長結構立管的研究主要集中在波浪與海流作用的耦合振動響應、非線性分析、渦激振動及疲勞損傷分析等［2－6］，但傳統渦激振動理論建立在對單個圓柱體分析、試驗基礎上，尚無關于尾流場中圓柱體及橫向相鄰圓柱體的渦激振動理論及方法。水越深立管的柔性越大，遠超傳統圓柱體渦激振動（Vortex Induced Vibration，VIV）研究所涉范圍［7－8］。雖有對孤立單管渦激振動研究，但對串列立管上游立管對下游立管影響的試驗研究未見報道。若用孤立單管流場參數對下游立管進行結構、渦激振動、疲勞分析，會得不準確結果。立管在海流作用下產生渦激振動引起結構破壞為立管失效的重要原因。串列布設為立管群基本形式，本實驗用實驗模型研究串列立管流場間相互作用，探究串列布置上游立管流場對下游游立管影響變化規律。為串列立管渦激振動分析提供必要的實驗數據。

1 試驗設置

1.1 試驗水槽

實驗在中國海洋大學波流水槽中進行。水槽尺寸（長×寬×高）3 000 cm×60 cm×185 cm，最大流速0．6 m／s。實驗前對水流進行消波處理使主流段流速均勻。

1.2 試驗模型

結合國外工程實際考慮我國海域水深范圍，本文確定研究立管模型為兩根有機玻璃管（PMMA管），模型參數見表1。模型兩端分別鉸接在可調節幾何間距的輔助鋼架及固定底板上，見圖1，主要測量立管模型一階振型的橫向振動響應。在立管模型中部橫、縱向粘貼4個電阻應變計，見圖2，將橫向兩電阻應變計用半橋接法連接于橋盒，縱向相同。可消除因溫度所致測量誤差，并使測量結果擴大2倍。

圖1 立管模型Fig．1 Themodel of riser

圖2 應變片粘貼示意圖Fig．2 The schematic of strain gauges attached

表1 立管性能參數Tab.1 The parameters of riser performance parameters

1.3 實驗方案及測量

①用北京波普公司動態應變儀測量、采集立管模型的振動時域文件。敲擊立管模型獲得固有頻率；②確定流速及間距，利用儀器制造0～0．8 m／s流速，選應變響應明顯、儀器采集效果良好、能滿足實驗要求的0．4 m／s、0．5 m／s、0．6 m／s為易操作穩定流速，見表2。據實驗準備知，立管間距為1D、2D及15D或更大時上游立管對下游立管振動無明顯影響，故選表2中7組間距。③在三種流速下測量采集孤立單管的橫向振動時域文件。④增加下游立管，逐漸改變立管模型間距T（表2中間距），分別測量采集上下游立管模型橫向振動時域文件。⑤在上游立管水流作用區增加抑渦設備（整流罩）［9－12］改變尾跡結構抑制上游立管渦激振動產生，并測試抑渦效果，選最佳抑渦設備。⑥上游立管有抑渦設備時逐漸改變立管模型間距T（表2間距），分別測量采集立管模型橫向振動時域文件。

表2 流速及間距設置Tab.2 The setting of spacing and flow velocity

2 試驗數據處理

將立管簡化為不受軸向力、以一階模態振動的簡支梁，其被測點應變與位移成正比［13］，用橫向應變片所得應變（με）表示立管的橫向振動劇烈程度。用與北京波普公司動態應變采集儀配套的處理軟件處理數據。為獲得所需波形段，選時域文件并截取時長及穩定性好的區段。每段時域文件時長100 s。對截取的時域文件進行濾波處理，濾掉過低、過高雜波。據孤立單管固有頻率設定濾波范圍1～20 Hz。將濾波后時域文件用MATLAB進行頻、時域圖像及均值、均方差處理。

敲擊實驗獲得立管固有頻率fv＝7．2 Hz。利用計算得三種流速0．4 m／s、0．5 m／s、0．6 m／s時上游立管渦泄頻率為4 Hz、5 Hz、6 Hz，其中取斯托哈爾數為2．0。利用計算得三種流速時約化速度分別為2．8 m／s、3．5 m／s、4．1 m／s。

3 試驗數據分析

3.1 抑渦設備效果

為抑制上游立管渦激振動增加抑渦設備（整流罩）。有、無抑渦設備其橫向應變幅值均方根曲線對比見圖3。由圖3（a）（0．5 m／s）看出，抑渦設備已明顯減小孤立單管的橫向振幅，應變（Ur）減小6倍。對比圖3（b）、（c）看出，抑渦設備使孤立單管的橫向主頻由4．88 Hz變為2．22 Hz。有抑渦設備時4．88 Hz為次頻。可見抑渦設備能有效抑制上游立管的渦激振動，對下游立管無渦旋泄放影響。

圖3 上游立管有無抑渦設備橫向振動時、頻域對比Fig．3 The comparison of time-domain and frequency－domain of upstream riser’s lateral vibration with vortex suppression device or not

3.2 無抑渦設備時上游立管對下游立管影響分析

為觀察不同管間距不同流速時上游立管對下游立管影響，將下游立管與孤立單管橫向振動進行對比，見圖4。由圖4看出，恒定流速下，單個立管的橫向應變為一恒定值，下游立管橫向應變隨立管間距增大先減小后增大；間距T為9D或10D時下游立管橫向振動響應最小，且均大于孤立單管橫向振動響應；隨流速增大下游立管橫向應變最小值與單管橫向應變差值增大，應變值增幅亦增大。

3.3 有抑渦設備時，上游立管對下游立管的影響分析

為觀察不同流速、不同管間距上游立管對下游立管影響，將有抑渦設備時下游立管橫向振動與孤立單管進行對比，見圖5。由圖5看出，有抑渦設備、恒定流速時隨立管間距增大，下游立管橫向振動趨于平穩。由圖5（d）看出，隨流速增大下游立管橫向應變A／D逐漸增大，大于孤立單管應變后基本相等，增幅趨于均勻且小于單管增幅。流速越大達平穩時立管間距越大，見表3。由表3看出，間距約在6D之內，流速對下游立管影響區分不明顯，但隨立管間距增大，影響漸明顯。

表3 不同流速時下游立管與孤立單管橫向振動對比Tab.3 At differen t flow rates，the com parison of lateral vibration between downstream riser and isolated single one

3.4 上游立管有無抑渦設備時下游立管振動響應對比分析

為分析不同管間距時上游立管無、有抑渦設備對下游立管影響區別，將有、無抑渦設備的下游立管橫向振動進行對比，見圖6。由圖6看出，恒定流速、上游立管無抑渦設備時下游立管橫向振動隨立管間距增大變化明顯，且有最小值。上游立管有抑渦設備時下游立管橫向振動隨立管間距增大變化不明顯，且無最小值。由圖6（d）看出，隨流速增大上游立管有抑渦設備時下游立管橫向振動με增幅均勻且較上游立管無抑渦設備時小。

圖6 不同流速時上游立管有無抑渦設備對下游立管影響對比Fig．6 At different flow rates，the comparison of impact on downstream riser between upstream with vortex suppression devices and not

4 結 論

（1）無抑渦設備、恒定流速時，隨管間距增加下游立管橫向振動響應先減小后增大，且在9或10倍管徑處達到最小，均大于孤立單管橫向振動響應。

（2）流速增加立管橫向振幅增大；流速越大下游達到平穩的立管間距越大。最小橫向振動A／D與單管橫向振動A／D差值隨流速增大而增大。

（3）有抑渦設備時下游立管振動趨于穩定，不同于孤立立管橫向振動。整流罩作為抑渦設備時可改變上游立管渦旋脫落情況，且尾流穩定性好，對下游立管更有利［14］。抑渦設備在抑制上游立管渦激振動的同時也會對下游立管造成影響。

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Experimental investigation of wake flow and wave-vortex coupled vibration of two tandem and cylinders

GUAN De-bao，HUANGWei-ping，SONG Hong，TIAN Hui-yuan，GENG Ao-xiang，WEI li-bo
（Shandong Key Laboratory of Ocean Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In order to analyse the upstream riser's effect on downstream riser under differentworking conditions by model testing，a devicewhich can inhibit the upstream vortex was designed．The experiments focus on the vortex-induced vibration of isolated upstream riser and were carried outwith a variety of improved equipments under different flow rate and different spacing conditions．The impactof upstream riser on downstream riserwas analysed by observing vortex shedding and measuring model vibration under the conditions of with or without inhibit vortex devices．It is concluded that the vibration state of downstream riser is different from that of isolated standpipe under the influence of upstream standpipe．The lateral vibration of downstream riserwithout inhibit device first increases and then decreases alongwith the increase of tube spacing，while it becomes stable beyond some limit of the increase of tube diameter under the condition of installing inhibit devices．

upstream riser；downstream riser；pitch；velocity；vortex suppression equipment

TU311．3

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．005

國家自然科學基金（51179179，51239008）

2013－06－02 修改稿收到日期：2013－11－21

關德寶男，學士，1991年7月生

黃維平男，博士，教授，博士生導師，1954年3月生