海洋立管作为连接整个生产系统的关键构件,也是整个系统中薄弱易损的构件之一。作为典型的海洋柔性柱体结构,在洋流的作用下,容易发生涡激振动,从而导致立管的疲劳破坏,造成巨大的经济损失并引发生态污染问题。因此,对于海洋立管涡激振动问题的研究,一直以来都是海上油气开采系统中的热点。在真实的油气开采过程中,在波浪、洋流和海上浮体平台运动等复杂外载荷共同作用下,海洋立管涡激振动更加复杂;且海洋立管内部输送的流体也会对立管振动产生较大影响。所以,在复杂外流和内流的作用下,立管动力学特性更加复杂多变。本文选取顶张式直立管为研究对象,针对内外流共同作用下海洋立管涡激振动问题进行了以下三方面研究: (1)针对计算流体动力学仿真对计算性能要求高、计算结果难收敛等问题,开展基于欧拉-伯努利梁和改进的范德波尔尾流振子模型的海洋立管涡激振动模型研究。考虑立管内部两相流体、结构整体重力、顶部张力及外部洋流的共同作用,建立立管非线性动力学方程;然后为了简化计算,对建立的方程组进行无量纲处理;接着采用伽辽金方法对方程组进行离散化处理;并利用四阶龙格-库塔法对离散化后的方程组进行求解。最后对本文所建模型进行对比验证分析,对于均匀外流工况,将模型计算结果与两种均匀工况实验数据和两种均匀工况仿真计算结果对比;对于振荡外流工况,将模型计算结果与两种高KC数工况和两种低KC数工况实验数据对比。对比结果说明,本文所建立的模型是合理的,能有效预测均匀外流下和振荡外流下立管VIV响应。 (2)开展均匀外流作用下含两相内流海洋立管涡激振动特性研究。首先对海洋立管进行固有频率分析,利用所建模型,计算分析两相内流气体体积分数、固体体积分数、内流流速、顶张力等因素对立管结构固有频率的影响,并分析上述影响因素对海洋立管涡激振动频率锁定区间的影响;最后讨论不同外流流速、气体体积分数、固体体积分数、内流流速下的立管涡激振动时域响应。结果表明,随着气体体积分数、顶张力的增大,立管固有频率逐渐增大,激发锁频现象的约化速度越低,锁频区间越窄;随着固体体积的分数、内流流速的增大,立管固有频率逐渐降低,激发锁频现象的约化速度越高,锁频区间越宽。立管涡激振动主导模态主要由外流流速决定,立管固有频率随着固体体积分数和内流流速的增大而减小,从而导致振动频率减小,振动幅值增大。 (3)开展振荡外流作用下含内流海洋立管涡激振动特性研究。首先对振荡流影响参数进行分析,分别从低KC数和高KC数工况研究振荡周期T和KC数对立管振动位移的影响,接着研究了内流流速和密度对立管涡激振动模态响应和振动频率的影响。结果表明,相对于均匀外流下的立管涡激振动,振荡外流下的立管涡激振动具有明显的“周期性”和“间歇性”特征;对于振荡流场,立管涡激振动由KC数和振荡周期共同决定;随着无量纲内流流速和密度比的增加,立管固有频率逐渐降低,从而导致振动频率降低,在相同的外流工况下,当外部振荡流速接近最大值时,可以触发更高阶的模态响应。