，，

(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。

1 試驗裝置

1.1 裸管試驗裝置

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)

1.2 抑制管試驗裝置

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

2 試驗處理方法

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。

3 結(jié)果分析

3.1 裸管試驗結(jié)果分析

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

3.2 抑制管試驗結(jié)果分析

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。

4 結(jié)論

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。