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(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580;2.中國石油集團工程技術(shù)研究院,天津 300454)
流體-海洋立管相互之間的渦激振動(vortex-induced vibration,VIV)長期作用會導(dǎo)致海洋立管的損壞,縮短立管的使用壽命。相關(guān)的VIV抑制研究有采用試驗方法研究圓柱體附加分隔板后的流動形態(tài)及動力學(xué)特性[1],螺旋列板抑制裝置的幾何外形及抑制效率[2],3根附屬桿對立管VIV的抑制作用[3];基于Fluent平臺數(shù)值模擬附加6根小圓柱的圓柱體繞流現(xiàn)象[4];利用計算流體力學(xué)RNG方法研究附加分隔板對海洋立管VIV的抑制效果[5];通過模型實驗和數(shù)值模擬計算結(jié)合的方法研究帶有VIV抑制罩的圓截面柱體的水動力特性[6]。
研究多集中在單根立管,相對于單根立管的VIV,多立管之間的尾流干涉使得海洋立管VIV變得更為復(fù)雜[7-10],這種復(fù)雜的尾流干涉下的VIV,容易增加立管的損傷。為此,針對分隔板、控制桿和減振器3種VIV抑制裝置,在不同立管間距下,進行串聯(lián)布置下的VIV試驗,對比分析3種抑制裝置的最優(yōu)抑制效果。
試驗中立管模型材料使用有機玻璃,單位長度質(zhì)量為0.05 kg·m-1,楊氏模量為3 GPa,立管垂直放入水槽中,水深700 mm(見圖1)。
圖1 實驗立管模型示意
立管模型通過緊箍固定在鋁合金支架上。選取水面以上2個位置粘貼電阻式應(yīng)變片,采用半橋接線法,每個位置貼4個應(yīng)變片,橫向和順流向各2個,間隔90°布置,見圖2。
圖2 應(yīng)變片布置示意
其中應(yīng)變片1#和3#用來檢測順流向立管模型的振動幅值,應(yīng)變片2#和4#用來檢測橫向立管模型的振動幅值。采集應(yīng)變信號采用的傳導(dǎo)連接導(dǎo)線全都使用屏蔽線,以減少實驗室中其他實驗設(shè)備對信號采集的干擾,試驗立管參數(shù)見表1。
表1 立管模型參數(shù)
渦激振動抑制裝置采用分隔板、控制桿和減振器3種,分別加裝至裸管試驗?zāi)P蜕闲纬梢种乒茉囼炑b置。在相同流速下,對比分析3種抑制裝置的抑制效果。
分隔板是沿流方向安裝在立管正后方的薄板,分隔板布置在立管模型水下部分的中部位置,其縱向長度為30 cm,分隔板能夠干擾尾流區(qū)剪切層的相互影響,抑制漩渦的脫落或者將其推送到比較遠的下游流域,減小立管所受的流體力。分隔板的板長(L)是決定分隔板抑振性能的主要因素,分隔板板的串聯(lián)布置見圖3,圖中D為立管的外徑。
試驗選用3根和4根2種數(shù)量的橡皮條作為控制桿模型,直徑約為3 mm,即0.2D。每隔30 cm在立管上安裝1個由有機玻璃制成的固定套環(huán)用于輔助固定控制桿,其外徑約為24 mm,在其中間位置按圓周角均分120°和90°,并鉆上帶有螺紋的孔,孔徑約為6 mm。用螺絲桿穿過螺紋孔將套環(huán)固定在管壁上,在螺絲桿上離管壁一定距離固定橡皮條,控制桿安裝在距離管壁6 mm的位置,即控制桿與立管外壁距離為0.4D,見圖4、5。固定套環(huán)的體積與重量都非常小,認為對流場和結(jié)構(gòu)振動特性無明顯的影響。
圖3 分隔板串聯(lián)布置示意
圖4 控制桿尺寸
圖5 控制桿與串聯(lián)立管相對布置位置示意
減振器由迎流端面和尾流段兩部分構(gòu)成,尾流段的夾角為θ,減振器長0.65 m,布置在立管的水中部分,減振器流線型輪廓使來流和立管表面充分接觸,減小或者避免表面回流的形成和剪切層的分離,起到抑制渦激振動的效果。減振器的尾端頂角的角度大小對于立管的漩渦交替脫落和VIV起決定性作用。試驗減振器的串聯(lián)布置見圖6。
圖6 減振器串聯(lián)布置示意
采用電阻應(yīng)變片來檢測立管振動信號,其電阻數(shù)值是120±0.2 Ω,靈敏系數(shù)為2.08±1%。為防止信號混淆,試驗采用的最大漩渦脫離頻率約為5 Hz,采樣頻率為100 Hz。
數(shù)據(jù)由 DHDAS 軟件采集,繪制信號波形圖,采用均方根值進行時域分析。
連續(xù)信號的均方值為
(1)
離散數(shù)據(jù)的均方值為
(2)
均方根值是均方值的正數(shù)平方根,從全局上表示立管模型在某一流體速度下的振動形狀。
(3)
對實測信號做初步校正,如修正波形的畸變,削弱信號中的噪聲和干擾等,使初步處理結(jié)果盡可能還原真實的振動響應(yīng)。采用基于小波的MATLAB閾值去噪方法實現(xiàn)試驗應(yīng)變信號去噪。
海洋立管在外流的作用下會引起渦激振動,特別是在“鎖定”的狀態(tài)下會引起大幅度的振動,使得應(yīng)力加大,容易導(dǎo)致立管的疲勞破壞。在渦激振動實驗之前,先對試驗裸管進行自振實驗以獲取自振頻率fn。試驗在無流速環(huán)境中進行,立管模型下部密封并充滿水,置于靜水中。先給立管一個初始位移然后釋放,記錄立管在水中的瞬時運動。裸管自振的時程曲線及橫向振動功率譜密度圖(PSD)見圖7,由圖7可知,試驗裸管的自振頻率為3.9 Hz。
圖7 試驗裸管自振試驗結(jié)果
裸管渦激振動試驗水流流速為0.22~0.50 m/s。以串聯(lián)裸管4D間距為例分析立管位置1#處的橫向和順流向振動響應(yīng),計算串聯(lián)2立管模型的均方根應(yīng)變值,結(jié)果見表2。
由表2可知,上游立管橫向和順流向振幅隨著外流速的增大逐漸增大;下游立管橫向和順流向振幅與上游立管呈現(xiàn)相同趨勢,但較上游立管振幅偏小,這是屏蔽效應(yīng)造成的;順流向振動頻率大約是橫向振動頻率的2倍。選取立管模型進入“鎖振”區(qū)域的較平穩(wěn)的代表流速0.3 m/s作為本次試驗流速。變化立管間距進行不同抑振裝置的渦激振動抑制試驗。
串聯(lián)裸管在位置1#處的渦激振動時程曲線見圖8,其中水流流速為0.3 m/s,立管間距為4D。
圖8 串聯(lián)裸管渦激振動波形
控制桿串聯(lián)布置d)方式下串聯(lián)抑制管在位置1#處的渦激振動時程線見圖9,水流流速為0.3 m/s,立管間距為4D。比較圖8、9可知:上、下游立管的橫向振動振幅與順流向振動振幅都有不同程度的減小,控制桿能夠有效抑制立管VIV。
串聯(lián)布置下,考慮4D、5D、6D和8D的立管間距,對3種抑制裝置的不同布置型式,共計14種工況進行渦激振動試驗。分別取3種抑制裝置中最優(yōu)者,以上游立管橫向振動為例進行控制桿最優(yōu)抑制裝置的選取。
取圖5所示的6種控制桿抑制裝置,分別計算上游立管不同間距下在粘貼應(yīng)變片位置1#處的橫向振動應(yīng)變有效值見表3。
圖9 控制桿抑制管渦激振動波形
間距裸管RMSa)RMS/折減因子(%)b)RMS/折減因子(%)c)RMS/折減因子(%)d)RMS/折減因子(%)e)RMS/折減因子(%)f)RMS/折減因子(%)4D369.7171.4/53.687.1/76.4190.0/48.6124.2/66.4114.1/69.142.1/88.65D443.8175.0/60.6106.0/76.1200.7/54.8109.3/75.494.0/78.849.3/88.96D436.8179.3/59.097.8/77.6194.1/55.6126.1/71.1103.9/76.268.3/84.48D437.1155.2/64.5110.1/74.8183.4/58.0132.0/69.893.1/78.748.9/88.8
注:表中布置a)~f)見圖5。
由表3可知,綜合4個間距下對比控制桿6種布置下的抑制效果, f)布置的控制桿抑制裝置的橫向抑制效果最優(yōu)。同理,對3種抑制裝置在不同間距和不同振動方向上的抑制效果進行計算,并選取最優(yōu)抑制效果。綜合3種抑制裝置在不同間距和不同振動方向上的抑制效果可得:L/D=1.25的分隔板抑制裝置的抑制效果最優(yōu); f)布置的控制桿抑制裝置的抑制效果最優(yōu);θ=45°的減振器抑制裝置的抑制效果最優(yōu)。
取3種抑制裝置中的最優(yōu)者進行對比分析,計算上游立管與下游立管在粘貼應(yīng)變片位置1#處的橫向振動應(yīng)變有效值及橫向最優(yōu)抑制折減百分比,結(jié)果見圖10。
圖10 串聯(lián)布置橫向振動最優(yōu)抑制效果比較
從圖10分析可得:對于上游立管來說,控制桿和減振器的橫向振動最優(yōu)抑制效果比較好,抑制效果都在75%以上,減振器的橫向振動抑制效果較弱,在50%~60%之間;對于下游立管,控制桿的橫向振動最優(yōu)抑制作用可達85%以上,分隔板的橫向振動最優(yōu)抑制作用在40%以上,減振器的橫向振動最優(yōu)抑制效果較弱,在30%~60%之間。因此對于橫向振動抑制效果來說,控制桿抑制效果最好,其次是分隔板,最后為減振器。
計算上游立管與下游立管在粘貼應(yīng)變片位置1#處的順流向振動應(yīng)變有效值并計算立管順流向振動最優(yōu)抑振折減的百分比,見圖11。
圖11 串聯(lián)布置順流向振動最優(yōu)抑制效果比較
由圖11可知:對于上游立管來說,分隔板的順流向振動最優(yōu)抑制效果都在65%以上,減振器順流向振動最優(yōu)抑制效果在40%以上,控制桿順流向振動最優(yōu)抑制效果在5%~30%之間;對于下游立管來說,控制桿的順流向振動最優(yōu)抑制效果比較好,在40%~75%之間,分隔板的順流向振動最優(yōu)抑制效果在10%~50%之間,減振器的順流向振動最優(yōu)抑制出現(xiàn)了應(yīng)變增大的現(xiàn)象。因此,控制桿與分隔板的抑制作用較好,減振器抑制作用弱。
1)對于橫向振動最優(yōu)抑制效果來說,控制桿的最優(yōu)抑制效果最好,超過80%。
2)對于順流向振動最優(yōu)抑制效果來說,分隔板在上游立管中的最優(yōu)抑制效果最好,控制桿在下游立管中的最優(yōu)抑制效果最佳,減振器的順流向最優(yōu)抑制效果弱。
3)控制桿對于上游立管順流向的抑制效果較弱,但順流向運動要比橫向小的多,綜合最優(yōu)抑制效果分析的話,控制桿是比較理想的選擇。