段塞流是油气混输过程中油气输送通道路径改变而引起的一种特殊现象,导致流体压力波动并进而和结构耦合。对于深水立管系统,这种动力耦合严重恶化了系统的动力响应,是立管的疲劳破坏的主要因素之一。由于段塞流形成过程流体瞬时压力波动及其传播的机理和规律没能突破,段塞流和立管系统的耦合作用的研究更加困难。本博士论文就是在这种背景下开展的相关理论和数值模拟工作,核心进展体现在:1、通过深入研究段塞流的形成及与立管结构相互作用的机理,建立了反映段塞流与深水立管动力耦合的立管系统动力学模型及相应微分方程,为严重段塞流条件下立管系统的设计和安全运行奠定了理论基础。2、提出了一种ANHE-FD混合算法,即应用ANHE(Adaptive Node-Based Height Evaluator)算法结合有限差分(FD,Finite Difference),获得了严重段塞过程中立管振动方程的数值解法。这为严重段塞流的流体与结构相互作用(FSI)分析提供了计算技术。3、将多相流模拟器OLGA 7和结构分析软件ABAQUS有机结合起来,提出了解决严重段塞流与深水立管动力耦合的数值计算方法,为得到整个立管系统在段塞流过程中的全程耦合响应提出了可能的解决方案。4、利用所提出的计算方法对段塞流与结构相互耦合的深水立管系统进行了大量的参数分析,得到了段塞流特性参数与立管结构参数的相关关系,这些关系和对应的规律对深水立管设计和降低段塞流对立管响应的作用具有重要意义。本论文的研究工作为深水立管系统的优化设计和防治段塞流对立管系统的影响提供了科学依据,得到了困扰工业界的相当理想的结果。