本发明专利技术公开了一种海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报方法，该方法包括建立预报模型、根据试验数据分别对悬跨段尾流振子模型中的参数在第一不稳定区域和第二不稳定区域内进行标定、根据土体性质确定土体支撑刚度和土体阻尼系数等步骤。其优点是：采用经典的van der pol方程描述了悬跨段管道结构与外界流场之间在第一、第二不稳定区域内的流固耦合作用，考虑了海床土体的阻尼作用，在跨肩处利用弹簧模拟海床土体对管道结构的支撑作用，建立了一个海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报方法，解决了悬跨管道纯顺流向涡激振动所涉及的外界流场、管道结构和海床土体的多场耦合作用问题，为海底管道涡激振动的防范和治理提供了有效的途径和理论依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及一种满激振动的研究方法，更具体的说，本专利技术设及一种海底自由悬 跨管道纯顺流向满激振动预报方法。 技术背景 随着国家海洋强国战略的逐步实施，海底油气资源的开采和利用得到了进一步的 发展。海底管道能够快速高效的将海底油井出产的石油和天然气等能源物质运送到陆地 上，具备安装方便、造价低廉、高效运输等优点，目前已成为海底油气输送系统的主要装置， 海底能源运输的大动脉，今后也将得到更广泛的应用。 众所周知，海底地势与陆地地势一样，高低起伏不平，有海沟、海岭、海盆等，使得 海底管道在安装过程中就会出现自由悬跨现象。另一方面，海底管道在服役过程中，由于经 受海底洋流对其周围海床±体的冲刷作用，容易掏空海床±体，造成海底管道出现自由悬 跨。 当外界流体流经悬跨的海底管道时会在尾迹流场中出现交替脱落的縱满，造成管 道两侧的水压力不平衡，从而使悬跨管道受不平衡水压力的外激励作用而发生振动，称之 为"满激振动"。运是造成海底自由悬跨管道疲劳破坏的主要原因之一。 当縱满脱落频率与管道结构固有频率接近时，悬跨管道会发生横流向满激振动， 运是传统满激振动所关注的重点。而当縱满脱落频率接近于管道结构固有频率的1/3或者 1/2时，悬跨管道会出现纯顺流向满激振动，运时的满激振动可分为第一不稳定区域和第二 不稳定区域，但现有技术缺乏关于悬跨管道纯顺流向满激振动的相关理论。 由于海底自由悬跨管道的两端由海床±体支撑，且海床±体对悬跨管道的满激振 动有较强的约束作用，海床±体越坚硬，约束条件越强烈，也就越难发生满激振动。又由于 海床±体是由固相、液相和气相Ξ相物质组成，具有弹塑性，故悬跨管道的运动会使海床± 体的性质发生改变，而海床±体性质的改变又会影响到悬跨管道的运动。因此，悬跨管道与 海床±体之间存在着相互禪合作用。 可见，海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动设及到外界流场、管道结构和海床± 体的多场禪合作用。但现有技术缺乏对悬跨管道与外界流场和海床上体禪合作用的分析理 论，故无法对纯顺流向满激振动进行有效的预报。
技术实现思路
本专利技术的目的就是弥补现有技术的缺陷，并为此提供一种海底自由悬跨管道纯顺 流向满激振动的预报方法。该方法考虑了悬跨段管道结构与外界流场在第一不稳定区域和 第二不稳定区域的禪合作用W及跨肩处管道结构与海床±体的禪合作用，使得理论预报结 果更加符合实际结果，为海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动提供了一种有效的预报方法 和分析途径。 本专利技术的海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动的预报方法，包括W下步骤： (1)建立预报模型： 式中：EI-管道结构的弯曲刚度； T-管道结构的轴向拉力； 心。11-±体对管道的支撑刚度，仅在跨肩处存在； C-阻尼系数，在悬跨段由结构阻尼Cg和外界流体阻尼Cl组成，在跨肩处由结构阻 尼Cs和±体阻尼Cwii组成；[001引Cs= 。，其中：ζ为结构阻尼比，ω。为管道结构固有圆频率；[001引 二。，其中：每,为平均拖曳力系数； m-单位长度管道质量，包括管道结构质量，管内流体质量和管外附加质量m。；[00川ma=CaηPD2/4,C。为附加质量系数； y"管道横向位移y对轴向位移X的四阶偏导； y"-管道横向位移y对轴向位移X的二阶偏导； y-管道位移；[00幼 乐一管道速度；[002引 萝一管道加速度； 珍脉动拖曳力系数，仅在悬跨段存在； P-外界流体密度或海水密度； D-管道直径； V-外界来流速度； q-无量纲拖曳力系数； Cd。一管道静止时拖曳力系数； ε-尾流振子模型参数； ω广縱满脱落频率，=2,祝^，St为Strouhal常数； η-稳定区域参数； Α-尾流振子模型参数； 此为管道微段振动模型，采用有限元法或者有限差分法W连接结点代替整个连续 管道，对与连接结点相关的微分方程在时域上进行求解，得到管道的振动响应； (2)根据试验数据分别对悬跨段尾流振子模型中的参数在第一不稳定区域和第二 不稳定区域内进行标定： 定义约化速度：[00川式中：Vr-约化速度； 1)当1. 0《化<2. 3时，海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动处于第一不稳定区 域：η= 3 2)当2. 3《化<3. 8时，海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动处于第二不稳定区 域：η= 2[004引式中：C。一无量纲质量阻尼系数，；： 丫 一迟滞系数， (3)根据±体性质确定±体支撑刚度和±体阻尼系数： 1) ±体支撑刚度： 式中：Ιρ-±体塑性指数；S。。一海床泥面±体不排水抗剪强度；S。,一海床±体不排水抗剪强度垂向增量；y-管道嵌入±体深度； υ -上体F*oisson系数；[005引。±体阻尼系数： 式中：C,。11一±体阻尼比系数。 本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：采用经典的vanderpol方程描述了悬跨 段管道结构与外界流场之间在第一不稳定区域和第二不稳定区域内的流固禪合作用；在跨 肩处利用弹黃模拟海床±体对管道结构的支撑作用，同时考虑了海床±体的阻尼作用，从 而建立了一个海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动的预报方法。该方法解决了悬跨管道纯 顺流向满激振动所设及的外界流场、管道结构和海床±体的多场禪合作用问题，弥补了现 有技术的缺陷，为海底管道满激振动的防范和治理提供了有效的途径和理论依据。【附图说明】 附图为本专利技术的方法流程图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术 方案作W详细说明。 本领域技术人员均知，当外界流体流经悬跨管道所产生的縱满脱落频率接近于管 道结构固有频率的1/3或者1/2时，海底自由悬跨管道会发生第一不稳定区域或者第二不 稳定区域的纯顺流向满激振动，造成管道出现严重的疲劳破坏。传统的海底自由悬跨管道 满激振动的研究更多的关注于横流向满激振动，缺乏对纯顺流向满激振动进行有效预报的 方法和途径。 由于海底自由悬跨管道是一个连续的整体，悬跨段管道结构受到外界不平衡水压 力的激励作用而发生满激振动时，会连带着跨肩处的管道发生振动。又由于跨肩处管道结 构由海床±体支撑，而海床±体对跨肩管道的振动具有较强的约束作用，故对整个海底自 由悬跨管道的满激振动都会产生影响。同时跨肩管道的振动也会使海床±体的性质发生改 变，也就是说，管道结构与海床±体之间存在着禪合作用。 可见，海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动不仅设及到悬跨段管道结构与外界流 场之间的流固禪合作用，而且还设及到跨肩处管道结构与海床±体的管±禪合作用。现有 技术缺乏对海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动机理的有效分析理论和方法，未能对海底 自由悬跨管道纯顺流向满激振动进行有效的预报 本专利技术正是同时考虑了外界流场、管道结构和海床±体的多场禪合作用，提出了 一种海底自由悬跨管道纯顺流向满激振动的预报方法。 参照附图，本专利技术方法包括W下步骤： (1)建立预报模型： 式中：EI-管道结构的弯曲刚度；T-管道结构的轴向拉力； 心。11一±体对管道的支撑刚度，仅在跨肩处存在； C-阻尼系数，在悬跨段由结构阻尼Cg和外界流体阻尼Cl组成，在跨肩处由结构阻 尼Cs和±体阻尼C wii组当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动的预报方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)建立预报模型：EIy′′′′-Ty′′+ksoily+cy·+my··=12C~DρDV2]]>q=2C~DCD0]]>q··+ϵωf(q2-1)q·+(nωf)2q=ADy··]]>式中：EI—管道结构的弯曲刚度；T—管道结构的轴向拉力；ksoil—土体对管道的支撑刚度，仅在跨肩处存在；c—阻尼系数，在悬跨段由结构阻尼cs和外界流体阻尼cl组成，在跨肩处由结构阻尼cs和土体阻尼csoil组成；cs＝2ζmωn，其中：ζ为结构阻尼比，ωn为管道结构固有圆频率；其中：为平均拖曳力系数；m—单位长度管道质量，包括管道结构质量，管内流体质量和管外附加质量ma；ma＝CaπρD2/4，Ca为附加质量系数；y″″—管道横向位移y对轴向位移x的四阶偏导；y″—管道横向位移y对轴向位移x的二阶偏导；y—管道位移；—管道速度；—管道加速度；—脉动拖曳力系数，仅在悬跨段存在；ρ—外界流体密度或海水密度；D—管道直径；V—外界来流速度；q—无量纲拖曳力系数；CD0—管道静止时拖曳力系数；ε—尾流振子模型参数；ωf—漩涡脱落频率，St为Strouhal常数；n—稳定区域参数；A—尾流振子模型参数；此为管道微段振动模型，采用有限元法或者有限差分法以连接结点代替整个连续管道，对与连接结点相关的微分方程在时域上进行求解，得到管道的振动响应；(2)根据试验数据分别对悬跨段尾流振子模型中的参数在第一不稳定区域和第二不稳定区域内进行标定：定义约化速度：Vr=2πVωnD]]>式中：Vr—约化速度；1)当1.0≤Vr<2.3时，海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动处于第一不稳定区域：n＝3A=20CD024π2St2(3Cn2π+γ)1+AϵCD016π2St2(3Cn2π+γ)=0.216e-1.866Cn]]>2)当2.3≤Vr<3.8时，海底自由悬跨管道纯顺流向涡激振动处于第二不稳定区域：n＝2A=8,2.3≤Vr<2.94;A=12,2.94≤Vr<3.8CD016π2St2(Cnπ+γ)1+AϵCD016π2St2(Cnπ+γ)=0.172e-0.949Cn]]>式中：Cn—无量纲质量阻尼系数，γ—迟滞系数，(3)根据土体性质确定土体支撑刚度和土体阻尼系数：1)土体支撑刚度：ksoil=228Ip(Su0+Sugy)(1+υ)]]>式中：Ip—土体塑性指数；Su0—海床泥面土体不排水抗剪强度；Sug—海床土体不排水抗剪强度垂向增量；y—管道嵌入土体深度；υ—土体Poisson系数；2)土体阻尼系数：csoil=2ζsoilksoilωn]]>式中：ζsoil—土体阻尼比系数。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐万海，谢武德，袁曦林，彭碧瑶，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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