殷布澤，胡其會(huì)，李玉星，王武昌，朱建魯，王冬旭

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

0 引 言

隨著長(zhǎng)期大規(guī)模開采，陸地油氣資源日漸枯竭，開采難度及成本日益增加，海洋油氣資源開發(fā)已成為國(guó)際油氣生產(chǎn)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。我國(guó)海洋油氣資源蘊(yùn)藏豐富，近年來(lái)先后開展了荔灣3-1 和番禺34-1等南海深水油氣田開發(fā)工程項(xiàng)目，但深水區(qū)域油氣勘探開發(fā)仍處于早期階段，工程中仍存在許多技術(shù)難題亟待解決。

在海洋油氣開發(fā)中，海洋立管作為連接海上平臺(tái)與海底油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件，常年承受風(fēng)、浪、洋流等多流場(chǎng)載荷作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生渦激振動(dòng)，引起管道疲勞損傷、管束碰撞、磨損等管道破壞問題。一旦發(fā)生事故，必將引起嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染和次生災(zāi)害，這也使得海洋立管的VIV研究成為海洋工程中的重要研究課題。

本文從半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型、VIV 的多模態(tài)響應(yīng)及三維特性、外部波浪作用的影響、內(nèi)外流共同作用的影響、立管群的VIV 特性以及VIV 抑制等方面闡述管道VIV 的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)海洋立管尚待研究的重點(diǎn)進(jìn)行展望。

1 渦激振動(dòng)（VIV）原理

渦激振動(dòng)是一種典型的流固耦合現(xiàn)象，包含復(fù)雜的多頻多自由度振動(dòng)響應(yīng)。圖1 描繪了在內(nèi)部和外部激勵(lì)下立管系統(tǒng)的渦激振動(dòng)。簡(jiǎn)單的渦激振動(dòng)形式是由立管在平面內(nèi)兩個(gè)正交自由度的彈性約束下和周圍的均勻流之間的相互作用產(chǎn)生的，如圖2所示。

圖1 內(nèi)外流場(chǎng)共同激勵(lì)作用下海洋立管系統(tǒng)VIV示意圖Fig.1 Schematic for VIV of the riser system under internal and external excitation

圖2 VIV原理示意圖Fig.2 Schematic of VIV

當(dāng)流體通過(guò)圓柱體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以脫落旋渦形式存在的非穩(wěn)定尾跡。漩渦交替地從圓柱的兩側(cè)脫落，產(chǎn)生沿橫流和順流兩個(gè)方向的周期性流體力。假設(shè)圓柱靜止不動(dòng)時(shí)，圓柱受到的阻力和升力與x和y坐標(biāo)軸重合，如圖3（a）所示，分別表示為

式中，F(xiàn)x、Fy分別為圓柱受到的阻力和升力，CD、CL分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù)，ρ為流體密度，D為圓柱直徑，U為流體速度。

但實(shí)際上，圓柱受到流體力的作用會(huì)產(chǎn)生位移和振動(dòng)。此時(shí)流體力不再與x和y坐標(biāo)軸重合，而是存在一定的夾角，如圖3（b）所示。此時(shí)阻力和升力可分別表示為

圖3 圓柱在均勻流下受到流體力圖解[1]Fig.3 Diagram of fluid force under uniform flow of cylinder[1]

式中，fD為圓柱受到的平均阻力，fD'、fL分別為渦誘導(dǎo)產(chǎn)生的阻力和升力，θ是x軸與瞬時(shí)速度的夾角。

二維立管振動(dòng)可以用簡(jiǎn)化的歐拉-伯努利梁方程描述：

式中，M為質(zhì)量，C為阻尼，EI為抗彎剛度，T為有效軸向拉力。

從方程的形式可以看出，立管的渦激振動(dòng)是一種復(fù)雜多維的非線性、非對(duì)稱流固耦合問題，這使其理論求解、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究均具有較大難度。

2 海洋立管VIV特性

海洋立管是連接海洋平臺(tái)與海底生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其長(zhǎng)徑比大，且同時(shí)承受管外海洋環(huán)境荷載作用和管內(nèi)流體流動(dòng)作用，易誘發(fā)立管振動(dòng)引起管道疲勞損傷及破壞。現(xiàn)分別從立管VIV 特性半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型、大長(zhǎng)徑比條件下的立管VIV 多模態(tài)響應(yīng)及三維特性、外部流動(dòng)以及內(nèi)外流場(chǎng)共同作用下的立管VIV特性、立管VIV抑制等方面進(jìn)行綜述。

2.1 立管VIV半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型

立管長(zhǎng)期振動(dòng)容易產(chǎn)生疲勞損傷，建立完善精準(zhǔn)的立管振動(dòng)響應(yīng)模型、及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)立管振動(dòng)和壽命非常有必要。然而，由于立管長(zhǎng)期處于非定常外流和內(nèi)流共同作用之下，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和高度的流固耦合作用對(duì)理論分析預(yù)測(cè)工作帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，所以立管VIV特性預(yù)測(cè)常用半經(jīng)驗(yàn)法。半經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的立管水動(dòng)力參數(shù)并與力學(xué)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行耦合求解的一種半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。

尾流振子模型是最經(jīng)典的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最早由Bishop 和Hassan（1964）[2]提出，用尾跡振蕩器來(lái)模擬尾渦的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，Hartlen 和Currie（1970）[3]提出一種用非線性VanderPol 方程來(lái)模擬彈性支撐圓柱的橫向振動(dòng)以及流體力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但其方程系?shù)嚴(yán)重依賴模型實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。之后許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，如Skop和Griffin（1973）[4]引入修正的VanderPol方程并與圓柱振動(dòng)方程耦合，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整了方程的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并與雷諾數(shù)范圍在400～20 000內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，成功預(yù)測(cè)了圓柱的振幅、頻率及相位角等參數(shù)。Skop 和Balasubramanian（1997）[5]又提出了一種改進(jìn)模型，該模型以局部橫向振動(dòng)作為升力的分量驅(qū)動(dòng)VanderPol方程，另一分量由與圓柱局部橫向速度呈線性比例的失速項(xiàng)控制，該改進(jìn)模型具備之前模型沒有的自激性和自我限制性。Facchinetti（2004）等[6]提出了一種加速耦合形式的尾流振子模型，并探究了該模型的適用范圍。Guo（2008）等[7]在Facchinetti 提出的加速耦合尾流振子模型的基礎(chǔ)上，又通過(guò)功能原理考慮內(nèi)流和頂張力的作用，建立了一種更為全面的立管渦激振動(dòng)流固耦合預(yù)測(cè)模型。Chaplin（2005）等[8]通過(guò)將11種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c階梯流立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ完P(guān)于橫向振幅的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，但關(guān)于曲率的預(yù)測(cè)存在很大誤差，說(shuō)明半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木群颓蠼夥椒ㄟ€有待提高。

近年來(lái)，許多學(xué)者基于半經(jīng)驗(yàn)方法開發(fā)了大量的非線性VIV模型，以解決線性模型中存在的渦激振幅過(guò)高問題，并考慮多模態(tài)相互作用的影響。Maincon（2011）[9]開發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的VIV 時(shí)域預(yù)測(cè)方法，該方法具備一定的應(yīng)用前景，但欠缺穩(wěn)定性，算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法也有待改進(jìn)；Thorsen（2017）等[10]提出了一種非線性橫流渦激振動(dòng)時(shí)域分析模型，并與莫里森方程進(jìn)行耦合，該模型可以考慮大位移和時(shí)變接觸條件等非線性結(jié)構(gòu)效應(yīng)，可以很好地預(yù)測(cè)VIV 橫流中的能量傳遞和附加質(zhì)量以及阻力放大等特征；Xue（2014）等[11]基于立管強(qiáng)迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和能量平衡原理，提出一種考慮內(nèi)流和頂張力影響的順流和橫流振動(dòng)耦合模型，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該模型對(duì)于振幅預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，而對(duì)于曲率的預(yù)測(cè)卻有較大誤差。目前大部分模型都存在這一缺點(diǎn)，這都是由于立管振動(dòng)是多模態(tài)參與，且模態(tài)激勵(lì)作用存在重疊區(qū)域引起的，而大部分模型都忽略或簡(jiǎn)化這一現(xiàn)象從而導(dǎo)致對(duì)曲率的預(yù)測(cè)存在很大誤差。

通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯亢蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的立管，順流方向的振動(dòng)對(duì)于整體VIV 的貢獻(xiàn)也很大，不可忽略。除此之外，內(nèi)部流動(dòng)尤其是段塞流對(duì)立管VIV 響應(yīng)也有耦合作用，它可以降低立管系統(tǒng)的固有頻率，使之更容易產(chǎn)生“鎖定”現(xiàn)象加劇疲勞損傷。關(guān)于管道振動(dòng)的描述多采用模態(tài)疊加原理，對(duì)各模態(tài)的貢獻(xiàn)做了線性處理，使得預(yù)測(cè)結(jié)果精度不高。

2.2 立管VIV多模態(tài)響應(yīng)及三維特性

表1 匯總了國(guó)內(nèi)外諸多立管VIV 實(shí)驗(yàn)，但大部分的實(shí)驗(yàn)中立管尺寸較小。實(shí)際生產(chǎn)中，海洋立管往往有上千米長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比非常大，振動(dòng)形式非常復(fù)雜，所以一般的小型實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全展現(xiàn)其高模態(tài)主導(dǎo)、多模態(tài)組合振動(dòng)的特性。Chaplin（2005）[12]指出立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)中，雷諾數(shù)大于104量級(jí)、長(zhǎng)徑比高于500 才能較好地保留高模態(tài)對(duì)立管振動(dòng)的貢獻(xiàn)。而以往的大部分實(shí)驗(yàn)或理論模型中的立管都是基于剛性圓柱且長(zhǎng)徑比和雷諾數(shù)均較小的情況，所以其振動(dòng)模態(tài)水平較低且單一，反映規(guī)律與實(shí)際有較大差距。

表1 VIV實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 VIV experimental parameters

Huse（1998）等[13]在挪威一個(gè)海灣進(jìn)行了著名的Han?ytangen 實(shí)驗(yàn)，立管的長(zhǎng)徑比高達(dá)3000，該實(shí)驗(yàn)的成功為后續(xù)研究提供了可信的數(shù)據(jù)支持；Lie 和Kaasen（2006）[14]通過(guò)分析Huse（1998）的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的VIV 振動(dòng)響應(yīng)具有高模態(tài)主導(dǎo)和多模態(tài)參與的特點(diǎn)；Vandiver（2005）等[15]在紐約塞納卡湖做了高模態(tài)的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，立管的振動(dòng)模態(tài)高達(dá)24；Trim（2005）等[16]開展了長(zhǎng)徑比高達(dá)1400的立管振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了多模態(tài)振動(dòng)響應(yīng)現(xiàn)象，并通過(guò)模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)VIV 振動(dòng)最大位移通常高于主導(dǎo)模態(tài)，隨著折算速度的增大，參與振動(dòng)的模態(tài)增多，而且不同形式的外流對(duì)立管的振動(dòng)模態(tài)也有影響；Gao（2016）等[17]也發(fā)現(xiàn)隨著折算速度的增大，固有頻率開始發(fā)散，即參與的模態(tài)變多，且在剪切流中行波出現(xiàn)比在均勻流中快，即剪切流下參與的模態(tài)更多；Violette（2010）等[18]使用線性穩(wěn)定方法研究了圓柱的渦激振動(dòng)特性，并與Chaplin（2005）[12]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果并不能很好地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這也證明了VIV是多模態(tài)參與，具有很大的隨機(jī)性和非線性，從而使預(yù)測(cè)難度增大。

VIV 的三維效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中很難被可視化，一般都采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究。Han（2020）等[19]使用LES 方法模擬三維立管尾跡的泄渦模式發(fā)現(xiàn)，在低雷諾數(shù)下立管的三維效應(yīng)較小，而在高雷諾數(shù)下，立管的三維效應(yīng)較強(qiáng)。實(shí)際立管工況中的雷諾數(shù)往往都很高，三維效應(yīng)顯著，水動(dòng)力不穩(wěn)定。但由于計(jì)算資源的限制，對(duì)于大長(zhǎng)徑比，高雷諾數(shù)的三維流固耦合很難進(jìn)行直接模擬。Willden 和Graham（2001，2004）[20-21]提出了切片法理論，如圖4（a）所示。該方法假設(shè)立管VIV 在長(zhǎng)度方向?yàn)槿舾蓭l，且在展開方向無(wú)相關(guān)性，此種處理方法大大減少了計(jì)算資源，計(jì)算速度快，且具有較高的精度，該方法已被Meneghini（2004）[22]和Yamamoto（2004）[23]驗(yàn)證。Bao（2019）等[24]考慮了展開方向的關(guān)聯(lián)效應(yīng)、三維效應(yīng)和計(jì)算資源、計(jì)算效率等因素，在傳統(tǒng)切片法的基礎(chǔ)上提出了改良的viv3D-FOAM-SJTU求解器，如圖4（b）所示，并將振動(dòng)響應(yīng)、水動(dòng)力和尾跡模式等的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。Deng（2020）等[25]應(yīng)用viv3D-FOAM-SJTU 求解器結(jié)合RANS 法模擬了長(zhǎng)徑比為481.5 的立管在均勻流下的VIV 響應(yīng)的三維特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了該方法的有效性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切片的厚度越厚，立管的三維效應(yīng)越明顯。

圖4 兩種切片法對(duì)比圖[25]Fig.4 Comparison chart of two strip theories[25]

由此可見，立管VIV的多模態(tài)響應(yīng)特性和尾跡的三維效應(yīng)是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其作用機(jī)理的復(fù)雜性和隨機(jī)性使得預(yù)測(cè)模型的精度很難得到實(shí)質(zhì)性的提高。亟需提出一個(gè)更準(zhǔn)確的多模態(tài)參與振動(dòng)的描述方法，或?qū)ΜF(xiàn)有的歐拉—伯努利梁方程和模態(tài)疊加原理進(jìn)行修正和改進(jìn)，以研究尾跡三維效應(yīng)如何影響水動(dòng)力的穩(wěn)定性，進(jìn)而更深入地研究多因素共同作用下的VIV機(jī)理。

2.3 外部波浪作用下的立管VIV特性

目前室內(nèi)立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)大多只考慮簡(jiǎn)單穩(wěn)定的外部流動(dòng)，而事實(shí)上海洋立管所處環(huán)境里還包含更為復(fù)雜的風(fēng)浪。平臺(tái)由于受到波浪的周期作用也會(huì)產(chǎn)生周期性的震蕩，如圖5 所示。立管在振蕩流作用下會(huì)產(chǎn)生間歇性渦激振動(dòng)，過(guò)程可分為成長(zhǎng)、鎖定、衰弱三個(gè)階段。隨著折算速度和KC數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的振動(dòng)特性[32]：“幅值調(diào)制”、“分時(shí)特性”、“遲滯效應(yīng)”和“高頻諧振”等，這也是振蕩流與穩(wěn)定來(lái)流引起立管振動(dòng)的本質(zhì)區(qū)別[31]。

圖5 考慮波浪作用下海洋平臺(tái)振蕩的立管VIV原理圖[32]Fig.5 Schematic of VIV under oscillating flow induced by surging of offshore platform caused by wave[32]

Bishop和Hassan（1964）[26]第一次發(fā)現(xiàn)振蕩流下圓柱受迫振動(dòng)產(chǎn)生的渦脫落發(fā)生“遲滯現(xiàn)象”，即在某個(gè)頻率的附近，相位和幅值的變化發(fā)生了階躍，當(dāng)振蕩的頻率接近渦的泄放頻率的整數(shù)倍時(shí)會(huì)出現(xiàn)升力和阻力同步的現(xiàn)象；Carberry（2005）等[27]發(fā)現(xiàn)尾渦在低頻和高頻之間轉(zhuǎn)換時(shí)，立管的升力和阻力在振幅和頻率上發(fā)生了階躍，這種變化的敏感性隨振蕩頻率和泄渦頻率的比值而變化，且是一種非線性變化；Fu（2013）[28]、Thorsen（2016）[29]等發(fā)現(xiàn)VIV 主頻在整體上與KC數(shù)呈正相關(guān)，與折算速度呈負(fù)相關(guān)，隨著KC數(shù)的增加，鎖定域趨于穩(wěn)定，隨著脫落頻率的增加，鎖定區(qū)域變得更寬；Wang（2015）[30]發(fā)現(xiàn)當(dāng)約化速度較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的“模態(tài)轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象，當(dāng)KC數(shù)較小時(shí)引起的渦激振動(dòng)更為明顯，甚至出現(xiàn)了“完全鎖定”現(xiàn)象，隨著KC數(shù)的增大，響應(yīng)又逐漸分化成三個(gè)階段；王俊高（2015）[33]針對(duì)平臺(tái)垂蕩誘發(fā)的懸鏈線立管渦激振動(dòng)開展了實(shí)驗(yàn)研究，并建立了頻率響應(yīng)模型；袁昱超（2019）[32]建立了時(shí)域數(shù)值模型，并針對(duì)定常洋流、垂蕩和縱蕩之間的組合流動(dòng)對(duì)懸鏈線立管VIV 響應(yīng)的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)縱蕩引起的非線性時(shí)變特性強(qiáng)于垂蕩，組合工況下的VIV響應(yīng)更為激烈。

目前關(guān)于波浪引起海洋平臺(tái)振蕩下的立管VIV 研究都簡(jiǎn)化為定常的正弦簡(jiǎn)單振蕩激勵(lì)，振動(dòng)自由度低，且未考慮來(lái)流的多角度和隨機(jī)性。未來(lái)需要開展更符合實(shí)際工況復(fù)雜流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究，并建立更為準(zhǔn)確的時(shí)域預(yù)測(cè)模型以適應(yīng)真實(shí)的非定常流場(chǎng)。

2.4 內(nèi)外流動(dòng)耦合作用下的立管VIV特性

海洋油氣開采中，海底管道通常采用混輸技術(shù)，管道內(nèi)輸送介質(zhì)包括油、氣、水甚至還有固體沙粒，屬于多相流范疇，在超長(zhǎng)立管和水平管段組成的系統(tǒng)中很容易生成具有明顯周期性和壓力波動(dòng)特性的嚴(yán)重段塞流，引起立管振動(dòng)[34-35]，從而使得立管的振動(dòng)規(guī)律更為復(fù)雜。由于開展考慮內(nèi)流尤其是含段塞流的渦激振實(shí)驗(yàn)比較困難，近年來(lái)部分學(xué)者在半經(jīng)驗(yàn)半理論模型中考慮了內(nèi)流的影響。Blanco 和Casanova（2010）[36]在Facchinetti[6]改進(jìn)模型基礎(chǔ)之上考慮了內(nèi)流是段塞流的情況，引入了Cooper（2009）[37]的段塞流計(jì)算方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)段塞流可以引起立管振動(dòng)模態(tài)的變化；Ortega和Rivera（2013）[38]將一種非線性VIV模型與拉格朗日段塞流追蹤模型結(jié)合，將外流處理為艾里波，分析了外部波浪對(duì)內(nèi)部段塞流的影響以及內(nèi)部段塞流對(duì)頂張力的影響；Liu（2013）等[39]利用哈密頓原理建立了柔性立管隨時(shí)間變化的內(nèi)部流體和海洋擾動(dòng)作用下的VIV響應(yīng)模型，并利用Lyapunov直接法進(jìn)行邊界控制，保證了立管系統(tǒng)在內(nèi)外干擾下的閉環(huán)穩(wěn)定性，并通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值仿真驗(yàn)證了該模型的有效性。

然而到目前為止，很少有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中考慮內(nèi)部流體對(duì)立管振動(dòng)的影響，部分學(xué)者也只是將內(nèi)部流體簡(jiǎn)化成單質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)。Lou（2007）等[40]在考慮內(nèi)部為單質(zhì)流和外部均勻流的情況下，測(cè)量了柔性立管的振動(dòng)響應(yīng)，并利用尾流振子模型進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)流速的增加，振動(dòng)響應(yīng)幅值增大，振動(dòng)頻率減小，頻率的降低可以使立管在較低的流速下產(chǎn)生渦激振動(dòng)，而振幅的增加可以使渦激振動(dòng)響應(yīng)更強(qiáng)烈，因此應(yīng)重視立管內(nèi)部多相流的影響；Guo（2008）[41]和Zhang（2009）[42]發(fā)現(xiàn)在外流靜止時(shí)，內(nèi)流的存在會(huì)降低立管固有頻率，在均勻外流下，內(nèi)流流速越大立管振幅越大、頻率越小；Zhu（2019）等[43]研究了氣液兩相流懸鏈線立管在剪切流作用下的渦激振動(dòng)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)渦激振動(dòng)會(huì)減小管內(nèi)液塞長(zhǎng)度，平面內(nèi)兩種振動(dòng)的耦合與兩者之間的相位差和水深有關(guān)，耦合作用對(duì)段塞流的氣液比很敏感。

圖6 Zhu（2019）實(shí)驗(yàn)裝置原理圖[43]Fig.6 Schematic of Zhu's experiment(2019)[43]

目前開展含內(nèi)流特別是段塞流與立管渦激振動(dòng)耦合的實(shí)驗(yàn)極少，內(nèi)流對(duì)立管振動(dòng)的影響規(guī)律尚不清晰，亟需開展內(nèi)部多相流尤其是段塞流與外部流場(chǎng)共同作用下的立管VIV 實(shí)驗(yàn)，為立管VIV 理論研究、立管設(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.5 立管群VIV特性

隨著海洋資源開采規(guī)模的不斷增加，單根立管生產(chǎn)能力已不能滿足生產(chǎn)需要，因此多立管群逐漸被廣泛應(yīng)用。相比單根立管的VIV 響應(yīng)，多立管群的VIV 響應(yīng)更為復(fù)雜。多立管群的組合形式包括：串列雙立管、并列雙立管、錯(cuò)列雙立管（如圖7）、不同來(lái)流角度的三根立管、管群等。Sumner（2010）[44]針對(duì)均勻流中兩個(gè)“無(wú)限長(zhǎng)”等徑圓柱不同交錯(cuò)形式排列的近尾渦流型、過(guò)渡渦結(jié)構(gòu)行為、雷諾數(shù)影響、升力阻力系數(shù)以及斯特勞哈爾數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)綜述。對(duì)于串聯(lián)兩圓柱的泄渦模式，可以分為三大類（如圖8所示）：（i）加長(zhǎng)模式、（ii）再附著模式和（iii）共同脫落模式。并列圓柱泄渦模式可分為（如圖9所示）：（i）“單體”模式、（ii）偏向流模式和（iii）平行流模式。

圖7 橫向流中兩個(gè)等直徑的圓柱體流動(dòng)排列形式[44]Fig.7 Arrangement of two equal diameter cylinders under cross flow[44]

圖8 橫向流動(dòng)中兩個(gè)串列的圓柱體的泄渦模式示意圖[44]Fig.8 Schematic of vortex flow patterns of two tandem cylinders under cross flow[44]

圖9 橫向流動(dòng)中兩個(gè)并排的圓柱體的泄渦模式示意圖[44]Fig.9 Schematic of vortex flow patterns of two side-by-side cylinders under cross flow[44]

Hu(2008)等[45]開展了Re=7000、不同角度錯(cuò)列的雙立管振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，采用了熱線、流動(dòng)可視化和粒子圖像測(cè)速技術(shù)，將不同角度、不同間距下兩圓柱的泄渦模式分為四種，并繪制了模式圖；Huera-Huarte（2011a）等[46]開展了并列雙立管渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，主要分析了折算速度和立管間距對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)幅值、頻率和相位差的影響；Assi（2010）等[47]研究了串列雙立管尾流誘導(dǎo)振動(dòng)(WIV)機(jī)理，結(jié)果表明WIV并不是共振現(xiàn)象，其產(chǎn)生是依賴于上游立管尾渦的能量激勵(lì)，這種能量激勵(lì)只有在兩根立管位移存在大于0°小于180°的相位差時(shí)才會(huì)產(chǎn)生；Huera-Huarte（2011b）等[48]之后又做了關(guān)于串列立管渦流誘導(dǎo)振動(dòng)和尾流誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)，并利用上游立管的橫向位移幅值和主頻率分析了下游立管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及與下游立管瞬時(shí)橫向位移運(yùn)動(dòng)的同步性，得到了上游立管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與下游立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系；Han（2018）[49]采用RANS 模型模擬了三角陣列剛性圓柱不同攻角的渦激振動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)來(lái)流攻角對(duì)圓柱陣列間的相互作用以及鎖定頻率范圍有很大影響。

目前立管群的研究大多是關(guān)于并列或串列雙立管，而三立管及以上管群的理論和實(shí)驗(yàn)研究很少，只有少量的數(shù)值模擬研究，理論上還未能定量描述立管間干涉的作用力。后續(xù)需要進(jìn)一步開展多立管群VIV實(shí)驗(yàn)和理論研究，為探究不同工況下立管間的安全距離以及防止立管間碰撞提供理論支持。

2.6 VIV抑制

長(zhǎng)期的渦激振動(dòng)會(huì)使立管疲勞受損，如何防止和減少VIV 對(duì)海洋立管的損傷已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。首先在設(shè)計(jì)階段可以使結(jié)構(gòu)的約化速度避開渦激振動(dòng)或“鎖定”的范圍，也可以通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來(lái)增大其自振頻率使其遠(yuǎn)離渦脫落的頻率，顯然這樣會(huì)大大增加成本，而且適應(yīng)性差，一旦海況變化則會(huì)失效。因此，大部分學(xué)者從改變立管周圍流場(chǎng)、影響渦的泄放入手，主要采用兩種方法：主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。

2.6.1 主動(dòng)控制

主動(dòng)控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)立管受力和周圍流場(chǎng)變化，再根據(jù)PID 閉環(huán)控制理論添加干擾或直接添加開環(huán)控制性的干擾到立管或周圍的流場(chǎng)從而達(dá)到抑制渦激振動(dòng)的目的。如抽吸與吹噴海水或氣體、聲激勵(lì)系統(tǒng)、敲擊振動(dòng)等。主動(dòng)控制法對(duì)技術(shù)要求高，且成本也很高，故不受大多數(shù)學(xué)者的青睞，但其具有適應(yīng)性好、精確、高效的優(yōu)點(diǎn)。

選取本院2011年5月—2017年6月收治的術(shù)后病理確診為陰莖鱗狀細(xì)胞癌的50例患者為研究對(duì)象，患者均于術(shù)后1年內(nèi)（中位時(shí)間為8個(gè)月）進(jìn)行18F-FDG PET/CT檢查。中位年齡為64歲（年齡范圍：30～76歲）。臨床分期采用Jackson分期法，Ⅰ期25例，Ⅱ期16例，Ⅲ期6例，Ⅳ期3例。

Zhang（2005）等[50]將壓電陶瓷振動(dòng)器嵌入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，使結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生微小振動(dòng)從而改變流體與結(jié)構(gòu)之間的作用關(guān)系，影響渦的泄放；Shaharuddin（2017）等[51]通過(guò)MATLAB 將模糊迭代原理與PID 控制原理結(jié)合，將測(cè)量的流速作為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到立管的模擬橫向振幅，通過(guò)立管兩端相連的彈簧實(shí)現(xiàn)立管與系統(tǒng)的共振，進(jìn)而達(dá)到抑制效果；Li（2020）[52]通過(guò)在立管上游設(shè)置水平噴氣裝置來(lái)干擾流場(chǎng)，抑制下游立管VIV 的產(chǎn)生；隨后Liu（2020）[53]開展了在立管下游不同間距放置不同噴氣級(jí)數(shù)干擾的實(shí)驗(yàn)，確定了最優(yōu)抑制效果的布置間距。

其中Zhang（2005）和Shaharuddin（2017）的研究屬于閉環(huán)控制，而Li（2020）和Liu（2020）的研究屬于開環(huán)控制。開環(huán)控制具有單向控制的局限性，沒有信號(hào)反饋，不能及時(shí)調(diào)整，且具有一定的適用范圍，如果超出這個(gè)適用范圍則會(huì)加劇VIV。現(xiàn)實(shí)中的海洋環(huán)境多變，流動(dòng)條件很不穩(wěn)定，所以開環(huán)控制具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。相反，閉環(huán)控制沒有這樣的缺點(diǎn)，未來(lái)的應(yīng)用前景也更好。

2.6.2 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制是指改變立管剖面形狀或在立管表面添加附件來(lái)擾亂流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、干擾漩渦的形成與泄放過(guò)程，達(dá)到抑制或削弱VIV的目的。通常VIV抑制器分為三類：

（1）影響分離線和剪切層的凸起裝置如螺旋列板等。Trim（2005）等[16]測(cè)評(píng)了不同螺距/鰭高比的螺旋列板在均勻流和剪切流動(dòng)下的抑制效果，實(shí)驗(yàn)立管的長(zhǎng)徑比高達(dá)1400，呈現(xiàn)了立管的多模態(tài)組合動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明螺距/鰭高比較大的螺旋列板抑制效果較好，且覆蓋率在82%以上時(shí)，兩種抑制器都能100%抑制剪切流下的振動(dòng)和90%均勻流下的振動(dòng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)覆蓋率和抑制效果不是正比例關(guān)系，若覆蓋率低于82%以下，抑制效率會(huì)迅速減弱。Marcollo（2018）等[54]對(duì)一種截面為“仙人掌型”的抑制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，給出了不同的截面參數(shù)對(duì)抑制效果的分析。Li（2019）等[55]對(duì)不同幾何參數(shù)的離散螺旋列板和離散板條進(jìn)行了抑制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明離散的螺旋列板可將渦引導(dǎo)至多個(gè)方向泄放，更好地破壞了渦的空間相關(guān)性和壓力場(chǎng)分布，而離散板條的抑制效果卻表現(xiàn)一般。

（2）影響卷吸層的裹覆裝置，如控制桿、穿孔絲網(wǎng)、軸向板條等。Cicolin（2014）等[56]開展了三種不同形式的網(wǎng)格型抑制器對(duì)VIV 抑制效果的測(cè)試，結(jié)果表明網(wǎng)格型抑制器的抑制效果與其布置形式有很大關(guān)系，但其本質(zhì)是增加了整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)阻尼。Huera-Huarte（2017）[57]開展了不同參數(shù)的包裹鋼絲網(wǎng)對(duì)立管渦激振動(dòng)抑制效果的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，立管的邊界層分離和剪切層的形成發(fā)生了改變，產(chǎn)生了較窄的尾流。在流動(dòng)方向上渦的排列更緊密，剪切層相互作用區(qū)域更加遠(yuǎn)離立管。鋼絲網(wǎng)不僅修正了剪切層的形成過(guò)程，而且阻止了剪切層在圓柱兩側(cè)的相互作用。

總的來(lái)說(shuō)，幾何參數(shù)合適的各種形式的抑制器對(duì)VIV 振幅抑制效果都不錯(cuò)，但也存在缺點(diǎn)，如螺旋列板會(huì)造成拖拽力增大，增加頂張力負(fù)荷，而且海洋生物的吸附對(duì)抑制效果會(huì)大打折扣[60]。整流罩對(duì)振幅抑制效果好，還可以減弱拖拽力，但設(shè)計(jì)難度高，制作安裝成本高，且存在動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性的問題。所以未來(lái)還需要做更多創(chuàng)新嘗試（組合兩種控制方法）來(lái)開發(fā)低成本，抑制性能優(yōu)異，適應(yīng)性更強(qiáng)的抑制手段。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)近年來(lái)關(guān)于海洋立管渦激振動(dòng)的研究做了較為全面的綜述，包括了之前未被深入研究的方面，如半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的發(fā)展、高長(zhǎng)徑比帶來(lái)的高模態(tài)、多模態(tài)響應(yīng)特性、海洋波浪引起平臺(tái)和立管系統(tǒng)的VIV 特性、立管干涉或管群之間尾流的耦合振動(dòng)和內(nèi)部多相流與外部流場(chǎng)的耦合振動(dòng)。盡管有大量學(xué)者投身到VIV 的研究之中，但因?yàn)槠鋸?fù)雜特性和存在諸多影響因素，目前關(guān)于VIV 的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，未來(lái)需要做的工作和開展的研究方向有：

（1）關(guān)于半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型：由于做了一些簡(jiǎn)化假設(shè)（只考慮橫流，忽略順流振動(dòng)、忽略或線性處理模態(tài)之間的重疊區(qū)域等），導(dǎo)致大多數(shù)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖谡穹A(yù)測(cè)偏大，曲率預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。目前缺少一個(gè)更具完整性和適用性的模型，相比較理論上的忽略或簡(jiǎn)化，可以考慮利用模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等手段分析描述VIV的三維非線性和隨機(jī)性特征，以得到更好的預(yù)測(cè)效果。

（2）關(guān)于大長(zhǎng)徑比立管多模態(tài)響應(yīng)特性：目前大部分實(shí)驗(yàn)立管的長(zhǎng)徑比與現(xiàn)場(chǎng)立管相差很大，得到的結(jié)果很難應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)。亟需開展大量的大長(zhǎng)徑比立管VIV 實(shí)驗(yàn)，為深入研究大長(zhǎng)徑比立管VIV 的多模態(tài)響應(yīng)規(guī)律、三維特性以及建立更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在數(shù)值模擬方面，傳統(tǒng)的CFD 方法直接模擬全尺寸復(fù)雜流場(chǎng)下立管VIV 的計(jì)算成本極高，需要繼續(xù)深入探索其它模擬手段在立管VIV方面的應(yīng)用。

（3）關(guān)于外部波浪作用的影響：有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，波浪引起的振蕩流下的立管VIV 出現(xiàn)了許多定常流條件下沒有的特性，而實(shí)際只有少數(shù)預(yù)測(cè)模型和實(shí)驗(yàn)考慮了外部波浪載荷對(duì)VIV 的影響。實(shí)際立管工況變化劇烈且不定常性顯著，未來(lái)的VIV實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)模型的建立也應(yīng)該考慮到波浪、內(nèi)波等不定常流場(chǎng)的作用，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜工況，得到更符合實(shí)際的結(jié)果。

（4）關(guān)于內(nèi)外流共同作用的影響：目前很少有學(xué)者考慮管內(nèi)流體對(duì)立管VIV的影響。有限的研究證明，管內(nèi)多相流和管外流場(chǎng)具有相互影響作用，但二者的耦合作用機(jī)理尚不清晰，仍需要開展大量實(shí)驗(yàn)和理論研究。

（5）關(guān)于多立管群的VIV 特性：由于多立管系統(tǒng)下，尾流之間的干涉情況復(fù)雜，導(dǎo)致定量描述困難，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)關(guān)于立管群的研究都局限在實(shí)驗(yàn)研究，理論研究匱乏。而實(shí)際生產(chǎn)中管群的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，立管之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碰撞、摩擦等破壞現(xiàn)象而影響立管的安全。因此，更深入開展多立管群的VIV特性理論研究對(duì)保證生產(chǎn)安全具有重要指導(dǎo)意義。

（6）關(guān)于VIV 抑制：主動(dòng)控制存在技術(shù)難度高、成本高的限制，被動(dòng)控制的VIV 抑制器也普遍存在適應(yīng)性、穩(wěn)定性和附著海洋生物效率降低等問題。未來(lái)仍需開展大量工作，探究新的抑制方式，盡量減少上述缺點(diǎn)，在降低成本的同時(shí)達(dá)到更好的抑制效果。