基于CFX的配置浮筒海洋立管涡激振动研究

钟诗民，黄维平，段金龙

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100; 2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

基于CFX的配置浮筒海洋立管涡激振动研究

钟诗民1，黄维平1，段金龙2

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100; 2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

运用CFX软件对4种不同浮筒覆盖率下的深水立管涡激振动进行模拟，验证大涡模拟在配置浮筒立管研究中的可行性。结果表明，浮筒覆盖率越大，立管均方根响应幅值越大;在不同的浮筒覆盖率的情况下，海洋立管的主要振动响应频率与浮筒所支配的涡泻频率和立管所支配的涡泻频率有关，浮筒覆盖率较小进行高频运动，浮筒覆盖率较大进行低频运动;数值模拟的均方根位移与模型试验的的均方根位移相符合，数值模拟的振动响应频率范围与模型试验的频率响应范围一致，对配置浮筒的海洋深水立管运用大涡模拟是可行的。

深水立管;均方根位移;涡激振动;浮筒覆盖率

随着深水油气田的开发，深水立管所需要的补偿力逐渐增大，深水立管需要配置浮筒来减小补偿力。配置浮筒主要有两种方式:①立管与独立的浮筒相连接，如中间站和潜水浮筒;②紧贴着立管外表面配置浮筒。目前学术界主要是对这两种配置方式的立管进行浮筒和立管的尺寸的分析、等效验证、强度分析和疲劳分析等［1-6］。涡激振动是疲劳损伤的重要因素，但关于配置浮筒的深水立管的涡激振动的研究却相对较少。为此，运用Ansys CFX，得到4种浮筒覆盖率下的深水立管的流固耦合结果，与BP等石油公司资助MARINETEK具体实施的有效长度为11.48 m的配置浮筒的海洋立管涡激振动的模型试验［7］结果进行对比。验证CFX程序在配置浮筒立管涡激振动中的可行性。

1 数值模拟结果与试验结果对比

1．1 模型参数

模型试验的隔水管参数见表1，模型试验中浮筒的配置方式见图1［7］。所有的管子长度都是11.479m，100%浮筒覆盖率的管子有20个浮筒，每个浮筒长0.5 m，相邻两个浮筒之间的距离是0.05 m，第20号浮筒和海床的距离是0.12 m。数值模拟的流体介质为海水，密度1 025 kg/m3，动力粘度系数取值1.005-3Pa·s。均匀来流速度为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m/s，对应雷诺数下，流动处于典型的次临界流动区域和过渡区域。采用大涡模拟(LES)进行耦合。

表1 配置浮筒立管参数

图1 模型试验中配置浮筒的海洋立管

1．2 模型区域

在数值模拟中，采用三维物理模型。流场为一个20D×40D(D=0.05 m为浮筒的外径)的区域，上游10D，下游30D［8］，经验表明上游区域长度对流场的计算结果影响很小。立管长度为196D。采用ICEM建立三维流场网格，对圆柱体周围及涡激发散的区域进行加密处理，以增加结果的准确性;对其他区域，采用线性加密方法，纵向网格的多少基本不影响计算结果［9-10］。

所以，在纵向上网格数量取适中，流场网格数目为305 945。入口边界设置流体流速，出口边界设置流出速度为零;立管两端所在的面设置为无滑动的墙，与立管表面平行的上下2个面设为对称面，立管表面为流固耦合面类型，为无滑动的墙。数值模拟中配置浮筒的海洋立管见图2，立管网格侧面示意于图3。

图2 数值模拟中配置浮筒的海洋立管

图3 立管网格侧面示意

1．3 RMS位移对比

模型试验中，立管的RMS(root mean square，简称RMS)位移是立管振动幅值最大处的位移，为了与模型试验相对应，在本次数值模拟中用检测到的最大位移点的位移来模拟RMS位移。

通过对比可以看出，图4a)的模型试验和图4b)数值模拟的RMS位移基本相同:浮筒覆盖率越大，RMS位移越大。模型试验中覆盖率为0和25%的立管的位移响应大致相同，出现的波动较小;在数值模拟中，浮筒覆盖率为25%的海洋立管的位移响应始终大于覆盖率为0的立管位移响应，但是数值模拟和模型试验得到的RMS位移的幅值大体相同，而且振幅随着流速的变化趋势和模型试验中的趋势一致。在浮筒覆盖率为50%和100%时，数值模拟和模型试验所得立管的RMS位移幅值高度吻合。

图4 RMS位移

1．4 响应频率对比

图5表明，模型试验和数值模拟都显示出应激频率和流速线性相关。

图5 响应频率

公式显示，Sr由频率和速度的比值以及直径所确定。模型试验和数值模拟都表明了在浮筒覆盖率不小于50%时，立管的振动频率取决于浮筒直径，反之取决于立管直径。结果表明覆盖率为100%和50%的立管的斜率较小，模型试验中斜率为2.658 9，Sr平均为0.133;数值模拟中立管

符合Strouhal数的定义，定义如下。斜率为2.406 6，Sr平均为0.121。覆盖率为25%和0的立管其斜率较大，在模型试验中斜率为7.227 7，平均为0.146;数值模拟中斜率为7.590 6，Sr是0.121。J.Kim Vandiver认为25%的覆盖率是大直径和小直径立管的分界点，高频应激频率起主导作用，但在低流速的时候出现低频应激频率。数值模拟浮筒覆盖率为25%的立管出现了大小直径立管的分界点现象，在流速为0.4和0.8 m/s时，低频应激频率起主导作用。

对RMS位移和立管的响应频率两个方面的比较表明，CFX程序能够准确地模拟配置浮筒海洋立管的涡激振动。

2 流场涡泻

由图6a)可以看出，流场涡泻均匀。图6b)为浮筒覆盖率为100%的立管的涡泻脱落状况，由于浮筒覆盖率达到100%的时候，两相邻浮筒之间的间距变得很小，浮筒之间的海水对整个立管尾流区域的涡泻影响较小，因此只取浮筒尾流区域的涡泻进行观察，这种情况下配置浮筒的立管如同增大了直径的立管，涡泻脱落均匀。

图6 立管涡泻

浮筒覆盖率为25%和50%的立管，两相邻浮筒之间的间距较大，浮筒之间的立管对流场的影响不能忽视。图7a)中，浮筒后方尾流区域的涡泻规律，图7b)中，立管后方涡泻脱落不具有周期性，可见浮筒对立管的涡泻脱落产生了一定的影响，这也是25%浮筒覆盖率立管是大直径和小直径立管的分界点的原因。图8a)和图8b)是浮筒覆盖率为50%的浮筒和立管的涡泻脱落图，两图显示在浮筒和立管后方涡泻脱落都具有周期性。其中，没有浮筒的裸管区域涡泻较为规律，而浮筒尾流区域的涡泻出现一定的紊乱。

图7 浮筒覆盖率为50%立管涡泻

图8 浮筒覆盖率为25%主管涡泻

3 结束语

配置浮筒立管的研究主要集中在结构物的强度分析和疲劳分析上，而关于涡激振动的研究，特别是表面配置浮筒立管的涡激振动的研究相对较少。数值模拟结果和模型试验结果对比表明，CFX大涡模拟在配置浮筒立管涡激振动研究中是可行的。数值模拟结果和模型试验结果高度吻合:浮筒覆盖率越高，立管响应幅值越大;立管激振频率的分界点是覆盖率为25%的立管，在覆盖率超过25%时，低频起主导作用，反之则高频起主导作用。浮筒覆盖率为25%的立管的RMS位移始终大于覆盖率为0立管的RMS位移与试验结果有偏差，需要进行进一步探讨研究。关于配置浮筒立管的涡激振动研究可以为南海深水立管设计提供一种思路，应进一步研究确定表面配置浮筒立管的水动力系数，为立管强度分析和疲劳分析做准备。

［1］宋娇阳，丁勇.深水浮筒回收作业的数值模拟［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2010.

［2］魏裕森，陈德，唐海雄，等.人造海床(ABS)技术［J］.石油钻采工艺，2007，29(2):108-110.

［3］陈鹏，石山.集束立管塔的设计和动态分析［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

［4］魏帆，岳前进.深水立管的水动力分析与抑制［D］.大连:大连理工大学，2009.

［5］康庄，梁文洲，贾鲁生.集束塔式立管总体强度分析方法研究［J］.中国海洋平台，2012，27(1):28-32.

［6］康庄，梁文洲，齐博，等.集束塔式立管总体疲劳分析方法研究［J］.船海工程，2012，41(1):88-91.

［7］KIM VANDIVER J.The effect of staggered buoyancy modules on flow-induced vibration of marine risers［C］//Houston:Offshore Technology Conference，2003: 15284.

［8］王成官，王嘉松，田忠旭，等.海洋隔水管涡激振动的三维数值模拟研究［J］.水动力学研究与进展，2011，26(4)437-443.

［9］HOLMESS，OAKLEYOH，CONSTANTINIDESY.Simulation of riser VIV using fully three dimensional CFD simulations［C］//OMAE，Hamburg，Germany，2006:92124.

［10］TRIM A D，BRAATEN H，LIE H，et，al.Experimental investigation of vortex-induced vibration of longmarine risers［J］.Journal of Fluids and Structures，2005，21 (3):335-361.

Research of Vortex-induced Vibration of Marine Risers with Buoyancy Modules Based on CFX

ZHONG Shi-min1，HUANG Wei-ping1，DUAN Jin-long2
(1.Scholl of Engineering，Qingdao Ocean University，Qingdao Shandong 266100，China; 2.School of Naval Architecture Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

The vortex-induced vibration(VIV)of risers with four coverage of buoyancy modules is simulated by using CFX software.The numerical results show that the larger the coverage ration of buoyancy modules is，the bigger the value of RMS displacement is.The dominated response frequency of risers is related to the coverage of buoyancy modules.Due to the different diameters，the lift and drag forces of different sections seem competitive，which may lead risers show higher main frequencies.So dominated response frequency of risers is inversely proportional to the coverage of risers.The results from numerical simulations are a nice match for the model experiments result.

risers;RMS;VIV;coverage ration

U674.38

A

1671-7953(2015)02-0157-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.039

2014-10-15

修回日期:2014-10-31

国家自然科学基金(51179179、51239008)

钟诗民(1989-)，男，硕士生

研究方向:深水立管

E-mail:zsmsuifengpiaowu@163.com