串列圆柱体尾流、尾涡耦合振动试验研究

关德宝，黄维平，宋 虹，田会元，耿翱翔，魏立波

（中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100）

串列圆柱体尾流、尾涡耦合振动试验研究

关德宝，黄维平，宋 虹，田会元，耿翱翔，魏立波

（中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100）

基于模型试验方法设计的试验装置能抑制上游立管涡旋产生，研究不同工况时上游立管对下游立管影响。分别对上游立管部产生涡激振动与产生涡激振动两种试验模型进行不同流速、不同间距条件的流致振动试验，通过观察涡旋脱落、测量模型振动分析上游立管有无抑涡设备及上游立管对下游立管横向振动影响。研究表明，上游立管对下游立管振动产生影响，不同于孤立单管。上游无抑涡设备时下游立管的横向振动随立管间距先增大后减小；有抑涡设备时上游立管横向振动在某倍管径后稳定在某定值基本不变。

上游立管；下游立管；间距；流速；抑涡设备

开发海上石油需布设大量立管，其流场之间相互影响，流场参数与孤立立管结构差异较大［1］。对受力复杂、环境恶劣大跨度细长结构立管的研究主要集中在波浪与海流作用的耦合振动响应、非线性分析、涡激振动及疲劳损伤分析等［2－6］，但传统涡激振动理论建立在对单个圆柱体分析、试验基础上，尚无关于尾流场中圆柱体及横向相邻圆柱体的涡激振动理论及方法。水越深立管的柔性越大，远超传统圆柱体涡激振动（Vortex Induced Vibration，VIV）研究所涉范围［7－8］。虽有对孤立单管涡激振动研究，但对串列立管上游立管对下游立管影响的试验研究未见报道。若用孤立单管流场参数对下游立管进行结构、涡激振动、疲劳分析，会得不准确结果。立管在海流作用下产生涡激振动引起结构破坏为立管失效的重要原因。串列布设为立管群基本形式，本实验用实验模型研究串列立管流场间相互作用，探究串列布置上游立管流场对下游游立管影响变化规律。为串列立管涡激振动分析提供必要的实验数据。

1 试验设置

1.1 试验水槽

实验在中国海洋大学波流水槽中进行。水槽尺寸（长×宽×高）3 000 cm×60 cm×185 cm，最大流速0．6 m／s。实验前对水流进行消波处理使主流段流速均匀。

1.2 试验模型

结合国外工程实际考虑我国海域水深范围，本文确定研究立管模型为两根有机玻璃管（PMMA管），模型参数见表1。模型两端分别铰接在可调节几何间距的辅助钢架及固定底板上，见图1，主要测量立管模型一阶振型的横向振动响应。在立管模型中部横、纵向粘贴4个电阻应变计，见图2，将横向两电阻应变计用半桥接法连接于桥盒，纵向相同。可消除因温度所致测量误差，并使测量结果扩大2倍。

图1 立管模型Fig．1 Themodel of riser

图2 应变片粘贴示意图Fig．2 The schematic of strain gauges attached

表1 立管性能参数Tab.1 The parameters of riser performance parameters

1.3 实验方案及测量

①用北京波普公司动态应变仪测量、采集立管模型的振动时域文件。敲击立管模型获得固有频率；②确定流速及间距，利用仪器制造0～0．8 m／s流速，选应变响应明显、仪器采集效果良好、能满足实验要求的0．4 m／s、0．5 m／s、0．6 m／s为易操作稳定流速，见表2。据实验准备知，立管间距为1D、2D及15D或更大时上游立管对下游立管振动无明显影响，故选表2中7组间距。③在三种流速下测量采集孤立单管的横向振动时域文件。④增加下游立管，逐渐改变立管模型间距T（表2中间距），分别测量采集上下游立管模型横向振动时域文件。⑤在上游立管水流作用区增加抑涡设备（整流罩）［9－12］改变尾迹结构抑制上游立管涡激振动产生，并测试抑涡效果，选最佳抑涡设备。⑥上游立管有抑涡设备时逐渐改变立管模型间距T（表2间距），分别测量采集立管模型横向振动时域文件。

表2 流速及间距设置Tab.2 The setting of spacing and flow velocity

2 试验数据处理

将立管简化为不受轴向力、以一阶模态振动的简支梁，其被测点应变与位移成正比［13］，用横向应变片所得应变（με）表示立管的横向振动剧烈程度。用与北京波普公司动态应变采集仪配套的处理软件处理数据。为获得所需波形段，选时域文件并截取时长及稳定性好的区段。每段时域文件时长100 s。对截取的时域文件进行滤波处理，滤掉过低、过高杂波。据孤立单管固有频率设定滤波范围1～20 Hz。将滤波后时域文件用MATLAB进行频、时域图像及均值、均方差处理。

敲击实验获得立管固有频率fv＝7．2 Hz。利用计算得三种流速0．4 m／s、0．5 m／s、0．6 m／s时上游立管涡泄频率为4 Hz、5 Hz、6 Hz，其中取斯托哈尔数为2．0。利用计算得三种流速时约化速度分别为2．8 m／s、3．5 m／s、4．1 m／s。

3 试验数据分析

3.1 抑涡设备效果

为抑制上游立管涡激振动增加抑涡设备（整流罩）。有、无抑涡设备其横向应变幅值均方根曲线对比见图3。由图3（a）（0．5 m／s）看出，抑涡设备已明显减小孤立单管的横向振幅，应变（Ur）减小6倍。对比图3（b）、（c）看出，抑涡设备使孤立单管的横向主频由4．88 Hz变为2．22 Hz。有抑涡设备时4．88 Hz为次频。可见抑涡设备能有效抑制上游立管的涡激振动，对下游立管无涡旋泄放影响。

图3 上游立管有无抑涡设备横向振动时、频域对比Fig．3 The comparison of time-domain and frequency－domain of upstream riser’s lateral vibration with vortex suppression device or not

3.2 无抑涡设备时上游立管对下游立管影响分析

为观察不同管间距不同流速时上游立管对下游立管影响，将下游立管与孤立单管横向振动进行对比，见图4。由图4看出，恒定流速下，单个立管的横向应变为一恒定值，下游立管横向应变随立管间距增大先减小后增大；间距T为9D或10D时下游立管横向振动响应最小，且均大于孤立单管横向振动响应；随流速增大下游立管横向应变最小值与单管横向应变差值增大，应变值增幅亦增大。

3.3 有抑涡设备时，上游立管对下游立管的影响分析

为观察不同流速、不同管间距上游立管对下游立管影响，将有抑涡设备时下游立管横向振动与孤立单管进行对比，见图5。由图5看出，有抑涡设备、恒定流速时随立管间距增大，下游立管横向振动趋于平稳。由图5（d）看出，随流速增大下游立管横向应变A／D逐渐增大，大于孤立单管应变后基本相等，增幅趋于均匀且小于单管增幅。流速越大达平稳时立管间距越大，见表3。由表3看出，间距约在6D之内，流速对下游立管影响区分不明显，但随立管间距增大，影响渐明显。

表3 不同流速时下游立管与孤立单管横向振动对比Tab.3 At differen t flow rates，the com parison of lateral vibration between downstream riser and isolated single one

3.4 上游立管有无抑涡设备时下游立管振动响应对比分析

为分析不同管间距时上游立管无、有抑涡设备对下游立管影响区别，将有、无抑涡设备的下游立管横向振动进行对比，见图6。由图6看出，恒定流速、上游立管无抑涡设备时下游立管横向振动随立管间距增大变化明显，且有最小值。上游立管有抑涡设备时下游立管横向振动随立管间距增大变化不明显，且无最小值。由图6（d）看出，随流速增大上游立管有抑涡设备时下游立管横向振动με增幅均匀且较上游立管无抑涡设备时小。

图6 不同流速时上游立管有无抑涡设备对下游立管影响对比Fig．6 At different flow rates，the comparison of impact on downstream riser between upstream with vortex suppression devices and not

4 结 论

（1）无抑涡设备、恒定流速时，随管间距增加下游立管横向振动响应先减小后增大，且在9或10倍管径处达到最小，均大于孤立单管横向振动响应。

（2）流速增加立管横向振幅增大；流速越大下游达到平稳的立管间距越大。最小横向振动A／D与单管横向振动A／D差值随流速增大而增大。

（3）有抑涡设备时下游立管振动趋于稳定，不同于孤立立管横向振动。整流罩作为抑涡设备时可改变上游立管涡旋脱落情况，且尾流稳定性好，对下游立管更有利［14］。抑涡设备在抑制上游立管涡激振动的同时也会对下游立管造成影响。

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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

国家自然科学基金（51179179，51239008）

2013－06－02 修改稿收到日期：2013－11－21

关德宝男，学士，1991年7月生

黄维平男，博士，教授，博士生导师，1954年3月生