干涉对海洋立管涡激振动影响实验研究

李 朋，郭海燕，李效民，张永波

（中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266071）

0 引 言

海洋立管是海面与海底井口间的主要连接件，是海洋基础结构的关键组成部分。海洋立管内部一般有高压的油或气流过，外部承受波浪、海流作用，当波浪、海流流经立管时，在一定的流速下会产生涡旋脱落，使立管发生涡激振动；当海洋立管自振频率与旋涡脱落频率接近时，振动会迫使旋涡脱落频率固定在结构自振频率附近，发生频率锁定（lock-in）现象，引起管道振动加强，加快立管的疲劳破坏。海洋立管在海中有很多的布置形式，如前后排列，并肩排列，相互交错排列等。当有外流通过时，立管会受到其他立管尾流的影响，我们称为立管的“干涉”。由于干涉的存在，使得立管的动力特性、动力响应以及漩涡的脱落形式同单个立管相比都会发生较大的变化。国内外的学者对海洋立管涡激振动进行了大量的研究[1-2]，但对立管的干涉这一现象研究较少。

Zdravkovich（1985，1987）[3-4]分别讨论了干涉对两个圆柱体的影响，并对圆柱体的干涉进行了分类，对不同干涉条件下的水流动态进行分类；研究结果表明，不同间距及排列方式的干涉会促使漩涡脱落发生连续或不连续的变化。Bokain（1987，1989）[5-6]运用一种准稳态的数学模型预测一个弹性圆柱体的驰振不稳定性，此弹性圆柱体处在一个上游刚性圆柱体的尾流中；结论表明，仅当下游圆柱体处于上游圆柱体的近尾流中时，这种驰振不稳定性才能发生。Mederios（1992）[7]研究了两个不同圆柱体由干涉诱发的振动，斯柯顿数从10到300，在三种基本布置形式下，测量了两个圆柱体横向和来流向的振幅。Hover（2001）[8]研究了一个上游圆柱体固支，下游圆柱体可以在横向自由振动的两圆柱体的干涉，试验中两圆柱体的间距为4.75D（D为圆柱体直径），分别测量了振幅、曳力及升力系数。Huera Huarte（2011）[9]进行了两个具有大长细比、低质量比的管道前后排列，间距在2～4D的干涉影响实验；结果表明，随着约化速度的变大，动态反应由于两管间距及两管之间是否存在漩涡脱落而不同。Assi（2006）[10]进行了前后排列的两管干涉实验研究，间距变化在2～5.6D之间，在间距3～5.6D时，观测到了显著的“galloping-like”现象，并打算进行高约化速度实验来验证。Brika（1997，1999）[11-12]对比了一个完全弹性圆柱体在一个固定圆柱体尾流作用下的结果，间距从7D到25D；和单独管相比，锁振时下游管约化速度增大并且比单独管有更广阔的反应区域。

综上所述，对干涉实验国内尚未见有研究报道，国外学者已进行了一些卓有成效的研究，但同时进行前后排列、并肩排列且边界均为铰接的实验研究国外还非常少，仅有的几篇报道[8-12]数据离散性较大，结论尚不统一。本文设计了前后排列、并肩排列，边界均为铰接的两组立管模型干涉实验和一个单独立管模型的涡激振动实验，实验中，通过变化外流速，两管间距以及同单独立管的结论进行对比，对立管干涉影响规律进行了研究和探讨。

1 实验设备

图1 实验水槽Fig.1 Experimental tank

图2 实验支架Fig.2 Experimental support frame

实验在中国海洋大学物理海洋实验室风—浪—流联合水槽进行，水槽长65 m，宽1.2 m，高1.75 m，最大流速0.8 m/s，如图1所示。置于水槽中的立管需要固定在特定的装置上，根据水槽的宽度和立管模型的长度设计了用于固定立管的铝合金支架；为防止在外流的作用下支架自身也随之振动，支架通过螺栓与水槽相连，并在支架上增加斜支撑；在支架的迎水面设计了可滑动的槽道，可以使立管在并肩排列和前后排列时方便地改变两管之间的间距，如图2所示。

实验中采用多谱勒测速仪来测量外流速，实验外流速从0.3～0.8 m/s，每级增加0.1 m/s，实验水温在15℃左右，计算可知，雷诺数变化范围为5 000～12 000。实验立管模型采用透明有机玻璃材料，立管外径为18 mm，壁厚2 mm，试验中立管均采用铰接形式，从而可以使立管在横向及来流向自由振动，立管长度的50%处于水面以下，立管详细参数如表1所示。

表1 实验立管详细参数表Tab.1 Detailed parameters of the risers

为了研究立管的干涉现象，分别进行两立管前后排列、并肩排列的涡激振动干涉实验，在相同工况条件下，进行了单独立管的涡激振动实验作为对比。为了测得立管沿长度的振动曲线，沿立管长度布置五组测点。立管干涉实验布置形式如图3、图4所示，前后排列和并肩排列均采用相同的变化间距，分别为3D、4D、5D、6D、7D和10D。立管横截面如图5所示，每个测点布置四组应变计，分别测量来流向（X向）和横向（Y向）振动，应变计在粘贴时严格按照粘贴规则及步骤进行，粘贴完毕后涂抹704防水胶。

图3 干涉实验立管布置详图Fig.3 Diagram of experimental set-up

图4 干涉实验实况Fig.4 Scene of interference experimen t

图5 立管横截面应变计粘贴详图Fig.5 Cross-section of the riser model

试验中最大漩涡脱落频率低于10 Hz，采样频率设置为256 Hz，从而能避开信号混淆。实验外流为均匀流，为防止外流不稳定对立管动力响应的影响，在达到一级目标流速，且流速稳定后开始采样，并实时观察流速读数，如有变化，则重新采样，采样时间为40 s。测量得到随时间变化的应变信号，通过编制程序对所得到的应变信号转换后可得到立管的位移、振幅及频率等振动特性。

2 实验结果分析

2.1 立管前后排列

图6为不同间距时，前后排列立管随外流变化的无量纲位移时程曲线以及频谱图，其中D为立管外径，Y/D为无量纲位移，3D-F表示两管间距为3D时的上游立管，3D-B表示两管间距为3D时的下游立管，其他间距时表示方法相同，V为外流流速，图中所示曲线均为立管横向振动位移曲线。

2.1.1 下游立管动态响应分析

由图6可以看出，随着外流速的增加，立管振幅呈现单调增加的趋势，本次实验外流从0.3 m/s开始，外流较小时，不同间距对振幅虽有影响，但影响较小；由图7（a）可知，在V=0.3、0.4 m/s时，不同间距的振幅范围分别在0.02～0.065D，0.1～0.14D，变化不大；外流速0.5 m/s时，这种单调性的增加开始发生变化。间距为10D时，立管振幅增加幅度逐渐减小，外流速0.6 m/s以后，振幅处于各间距中的最小值，而间距为4D时，立管振幅增加幅度逐渐增大，外流速0.6 m/s以后，始终处于最大值。当外流速达到0.8 m/s时，间距10D时，下游管位移最大值为0.59D，而间距为4D时位移最大值为0.71D，下游管不同间距时的位移变化被包络在4D与10D时的下游立管位移之间。

图6 不同间距时下游管随外流变化的位移时程曲线及频谱图Fig.6 Variation of time histories of downstream riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

由图7可以得到，单独立管在V=0.6 m/s时发生经典的VIV锁振，随着外流速的增加，立管振幅逐渐减小，跳出锁振区域。同单独立管相比，间距3～7D时，V=0.6 m/s以后下游立管振幅仍呈现单调递增的趋势，并没有出现振幅的急剧增加或减小，外流0.8 m/s时，几种不同间距的工况下位移最小值为3D时，为0.59D，最大为4D时，为0.71D，而单独立管仅为0.37D，与此相比，不同间距下（3～7D）的下游立管，振幅增加均超过50%。而由图7（b）可以看出，单独管的振动曲线与间距10D时基本一致，只是在外流超过0.7 m/s时，间距10D时的下游立管振幅有增大的趋势，由此说明，间距为10D时，上游立管对下游立管的振动仍有较大影响。由图7还可以看出，外流V=0.6 m/s以后，和单独立管相比，没有观测到一个峰值，各个间距下的振幅随外流都单调增加，但增加幅度逐渐减小，这种现象可能是由于下游立管漩涡脱落产生振动并被上游立管的漩涡脱落所加强，从而导致振幅变大。

图7（a） 为不同间距时下游立管和单独立管随外流变化的位移最大值；（b）为下游立管和单独立管随外流变化的位移均方根值Fig.7 (a)The maximum displacement/diameter of the downstream and single risers versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the downstream and single risers versus current velocity with different distance

2.1.2 上游立管动态响应分析

由图8可知，立管振幅都随着外流速的增大而逐渐增大，但较上游立管振幅偏小，不同间距之间的幅值在同一级外流下差别不大，但仍有一定的规律性，特别是在V=0.6 m/s以后，随着间距的增大振动幅值逐渐增大，如在V=0.8 m/s时，随着间距的增大，位移值分别为0.32D、0.33D、0.34D、0.37D、0.40 D和0.41D。

图8 不同间距时上游立管随外流变化的位移时程曲线及频谱图Fig.8 Variation of time histories of upstream riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

由9（a）可以看出，在间距为3D、4D、5D的上游立管在试验中均观测到了锁振现象，这与单独立管的现象相似，但与经典的VIV锁振现象不同的是，在跳出锁振区间后，振幅下降很小，如间距为4D时，当锁振时位移均方根值为0.22D，而跳出锁振时为0.21D，变化较小，较同一外流速的单独管，位移均方根值较大且减小趋势缓慢，间距为6D、7D、10D的立管没有观测到锁振现象，振幅呈单调增加的趋势，只是在V=0.6 m/s以后，这种增加的趋势变得非常缓慢。

图9（a） 为不同间距时上游立管和单独立管随外流变化的位移最大值；（b）为上游立管和单独立管随外流变化的位移均方根值Fig.9 (a)The maximum displacement/diameter of the upstream and single risers versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the upstream and single risers versus current velocity with different distance

由上述分析可知，下游立管幅值均单调性地增加，只是不同间距下振幅值及增加幅度不同，与单独管相比，没有观测到经典的VIV锁振现象，这种现象可能是由于下游立管漩涡脱落产生振动并被上游立管的漩涡脱落所加强，从而导致振幅变大。由此可知，改变了两者的间距从而改变了干涉的影响区域，促使漩涡脱落形式发生变化，使两立管由于漩涡脱落引起的振动发生显著改变。

图10 不同间距时来流向右侧立管随外流变化的位移时程曲线及频谱图Fig.10 Variation of time histories of the right(from the in-line direction)riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

2.2 立管并肩排列

图10为不同间距时，并肩排列立管随外流变化的无量纲位移时程曲线以及频谱图，本次实验较以前研究两立管间距相对较大，分别变换5种不同间距，以来流向右侧立管讨论并肩排列在不同间距时干涉对立管涡激振动的影响规律。

与前后排列不同的是，两立管在各个间距下都发生了VIV锁振，由于支撑条件及管材的差异性，在较大流速时振幅有所差别，但差别不大，如V=0.7m/s时，间距为3～10D时立管的振幅分别为0.62D、0.69D、0.66D、0.65D、0.72D和0.69D。与单独管相比，仅在流速较大时，振幅相差较大，如V=0.8 m/s时，单独管振幅为0.37D，而各种间距下振幅的最小值为间距3D时，为0.61D，这与前后排列时的结果相似，这种现象也可以解释为相邻立管的尾流相互干涉导致振幅变大，但规律性不强，还要进行更深入的研究。

而图11（b）将这种差异体现得更加明显，较单独管，立管在各个间距下特别是小流速时，振幅增加较为平缓，振幅总体变化趋势和单独管相似；但随着外流速的增加，特别是发生锁振现象时，并肩排列的立管比单独管振动更加剧烈，振幅增加相对值更大。由图11还可以看出，不同间距下立管的振动有一定的离散性，如V=0.8 m/s时，间距为3～10D时的立管振幅分别为0.61D、0.70D、0.63D、0.62D、0.73D和0.75D，没有观测到随间距明显规律性的变化。

图11（a） 为不同间距时来流向右侧立管和单独立管随外流变化的位移最大值；（b）为来流向右侧立管和单独立管随外流变化的位移均方根值Fig.11 (a)The maximum displacement/diameter of the right(from the in-line direction)riser and single riser versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the right(from the in-line direction)riser and single riser versus current velocity with different distance

3 结 论

通过实验研究了两个端部均为铰接的海洋立管分别在前后排列、并肩排列时的相互干涉作用，试验中分别变换不同的间距，并与单独立管的动态响应进行对比，实验结果表明：

（1）两立管前后排列时，下游管在不同间距时振幅随外流均呈现单调递增的趋势，增加幅度在外流较大时变小，间距为4D时的下游管振幅较其他间距始终最大，立管不同间距时的位移变化曲线被包络在4D与10D时的下游立管位移之间。

（2）两立管前后排列间距为3～7D时，下游管与单独立管相比，振幅增加均超过50%，各个间距下的振幅随外流都单调增加，没有观测到一个峰值，没有观测到经典的VIV锁振现象，这种现象可能是由于下游立管漩涡脱落产生振动并被上游立管的漩涡脱落所加强，从而导致振幅变大。

（3）两立管前后排列时，特别是间距为3～5D时，从上游立管观测到了锁振现象，与单独管不同的是，跳出锁振区间后振幅减小趋势缓慢。

（4）两立管并肩排列时，振动体现出一定的对称性，与前后排列不同的是，两立管在各个间距下都发生了VIV锁振。在外流速较大时，与单独管相比，振幅相差较大。不同间距立管的振动有一定的离散性，没有观测到随间距明显规律性的变化。

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