李 朋，郭海燕，李效民，張永波

（中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引 言

海洋立管是海面與海底井口間的主要連接件，是海洋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。海洋立管內(nèi)部一般有高壓的油或氣流過(guò)，外部承受波浪、海流作用，當(dāng)波浪、海流流經(jīng)立管時(shí)，在一定的流速下會(huì)產(chǎn)生渦旋脫落，使立管發(fā)生渦激振動(dòng)；當(dāng)海洋立管自振頻率與旋渦脫落頻率接近時(shí)，振動(dòng)會(huì)迫使旋渦脫落頻率固定在結(jié)構(gòu)自振頻率附近，發(fā)生頻率鎖定（lock-in）現(xiàn)象，引起管道振動(dòng)加強(qiáng)，加快立管的疲勞破壞。海洋立管在海中有很多的布置形式，如前后排列，并肩排列，相互交錯(cuò)排列等。當(dāng)有外流通過(guò)時(shí)，立管會(huì)受到其他立管尾流的影響，我們稱為立管的“干涉”。由于干涉的存在，使得立管的動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)以及漩渦的脫落形式同單個(gè)立管相比都會(huì)發(fā)生較大的變化。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)進(jìn)行了大量的研究[1-2]，但對(duì)立管的干涉這一現(xiàn)象研究較少。

Zdravkovich（1985，1987）[3-4]分別討論了干涉對(duì)兩個(gè)圓柱體的影響，并對(duì)圓柱體的干涉進(jìn)行了分類，對(duì)不同干涉條件下的水流動(dòng)態(tài)進(jìn)行分類；研究結(jié)果表明，不同間距及排列方式的干涉會(huì)促使漩渦脫落發(fā)生連續(xù)或不連續(xù)的變化。Bokain（1987，1989）[5-6]運(yùn)用一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)一個(gè)彈性圓柱體的馳振不穩(wěn)定性，此彈性圓柱體處在一個(gè)上游剛性圓柱體的尾流中；結(jié)論表明，僅當(dāng)下游圓柱體處于上游圓柱體的近尾流中時(shí)，這種馳振不穩(wěn)定性才能發(fā)生。Mederios（1992）[7]研究了兩個(gè)不同圓柱體由干涉誘發(fā)的振動(dòng)，斯柯頓數(shù)從10到300，在三種基本布置形式下，測(cè)量了兩個(gè)圓柱體橫向和來(lái)流向的振幅。Hover（2001）[8]研究了一個(gè)上游圓柱體固支，下游圓柱體可以在橫向自由振動(dòng)的兩圓柱體的干涉，試驗(yàn)中兩圓柱體的間距為4.75D（D為圓柱體直徑），分別測(cè)量了振幅、曳力及升力系數(shù)。Huera Huarte（2011）[9]進(jìn)行了兩個(gè)具有大長(zhǎng)細(xì)比、低質(zhì)量比的管道前后排列，間距在2～4D的干涉影響實(shí)驗(yàn)；結(jié)果表明，隨著約化速度的變大，動(dòng)態(tài)反應(yīng)由于兩管間距及兩管之間是否存在漩渦脫落而不同。Assi（2006）[10]進(jìn)行了前后排列的兩管干涉實(shí)驗(yàn)研究，間距變化在2～5.6D之間，在間距3～5.6D時(shí)，觀測(cè)到了顯著的“galloping-like”現(xiàn)象，并打算進(jìn)行高約化速度實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。Brika（1997，1999）[11-12]對(duì)比了一個(gè)完全彈性圓柱體在一個(gè)固定圓柱體尾流作用下的結(jié)果，間距從7D到25D；和單獨(dú)管相比，鎖振時(shí)下游管約化速度增大并且比單獨(dú)管有更廣闊的反應(yīng)區(qū)域。

綜上所述，對(duì)干涉實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有研究報(bào)道，國(guó)外學(xué)者已進(jìn)行了一些卓有成效的研究，但同時(shí)進(jìn)行前后排列、并肩排列且邊界均為鉸接的實(shí)驗(yàn)研究國(guó)外還非常少，僅有的幾篇報(bào)道[8-12]數(shù)據(jù)離散性較大，結(jié)論尚不統(tǒng)一。本文設(shè)計(jì)了前后排列、并肩排列，邊界均為鉸接的兩組立管模型干涉實(shí)驗(yàn)和一個(gè)單獨(dú)立管模型的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)變化外流速，兩管間距以及同單獨(dú)立管的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，對(duì)立管干涉影響規(guī)律進(jìn)行了研究和探討。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1 實(shí)驗(yàn)水槽Fig.1 Experimental tank

圖2 實(shí)驗(yàn)支架Fig.2 Experimental support frame

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室風(fēng)—浪—流聯(lián)合水槽進(jìn)行，水槽長(zhǎng)65 m，寬1.2 m，高1.75 m，最大流速0.8 m/s，如圖1所示。置于水槽中的立管需要固定在特定的裝置上，根據(jù)水槽的寬度和立管模型的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了用于固定立管的鋁合金支架；為防止在外流的作用下支架自身也隨之振動(dòng)，支架通過(guò)螺栓與水槽相連，并在支架上增加斜支撐；在支架的迎水面設(shè)計(jì)了可滑動(dòng)的槽道，可以使立管在并肩排列和前后排列時(shí)方便地改變兩管之間的間距，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)中采用多譜勒測(cè)速儀來(lái)測(cè)量外流速，實(shí)驗(yàn)外流速?gòu)?.3～0.8 m/s，每級(jí)增加0.1 m/s，實(shí)驗(yàn)水溫在15℃左右，計(jì)算可知，雷諾數(shù)變化范圍為5 000～12 000。實(shí)驗(yàn)立管模型采用透明有機(jī)玻璃材料，立管外徑為18 mm，壁厚2 mm，試驗(yàn)中立管均采用鉸接形式，從而可以使立管在橫向及來(lái)流向自由振動(dòng)，立管長(zhǎng)度的50%處于水面以下，立管詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)立管詳細(xì)參數(shù)表Tab.1 Detailed parameters of the risers

為了研究立管的干涉現(xiàn)象，分別進(jìn)行兩立管前后排列、并肩排列的渦激振動(dòng)干涉實(shí)驗(yàn)，在相同工況條件下，進(jìn)行了單獨(dú)立管的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)作為對(duì)比。為了測(cè)得立管沿長(zhǎng)度的振動(dòng)曲線，沿立管長(zhǎng)度布置五組測(cè)點(diǎn)。立管干涉實(shí)驗(yàn)布置形式如圖3、圖4所示，前后排列和并肩排列均采用相同的變化間距，分別為3D、4D、5D、6D、7D和10D。立管橫截面如圖5所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置四組應(yīng)變計(jì)，分別測(cè)量來(lái)流向（X向）和橫向（Y向）振動(dòng)，應(yīng)變計(jì)在粘貼時(shí)嚴(yán)格按照粘貼規(guī)則及步驟進(jìn)行，粘貼完畢后涂抹704防水膠。

圖3 干涉實(shí)驗(yàn)立管布置詳圖Fig.3 Diagram of experimental set-up

圖4 干涉實(shí)驗(yàn)實(shí)況Fig.4 Scene of interference experimen t

圖5 立管橫截面應(yīng)變計(jì)粘貼詳圖Fig.5 Cross-section of the riser model

試驗(yàn)中最大漩渦脫落頻率低于10 Hz，采樣頻率設(shè)置為256 Hz，從而能避開(kāi)信號(hào)混淆。實(shí)驗(yàn)外流為均勻流，為防止外流不穩(wěn)定對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)的影響，在達(dá)到一級(jí)目標(biāo)流速，且流速穩(wěn)定后開(kāi)始采樣，并實(shí)時(shí)觀察流速讀數(shù)，如有變化，則重新采樣，采樣時(shí)間為40 s。測(cè)量得到隨時(shí)間變化的應(yīng)變信號(hào)，通過(guò)編制程序?qū)λ玫降膽?yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換后可得到立管的位移、振幅及頻率等振動(dòng)特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 立管前后排列

圖6為不同間距時(shí)，前后排列立管隨外流變化的無(wú)量綱位移時(shí)程曲線以及頻譜圖，其中D為立管外徑，Y/D為無(wú)量綱位移，3D-F表示兩管間距為3D時(shí)的上游立管，3D-B表示兩管間距為3D時(shí)的下游立管，其他間距時(shí)表示方法相同，V為外流流速，圖中所示曲線均為立管橫向振動(dòng)位移曲線。

2.1.1 下游立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

由圖6可以看出，隨著外流速的增加，立管振幅呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì)，本次實(shí)驗(yàn)外流從0.3 m/s開(kāi)始，外流較小時(shí)，不同間距對(duì)振幅雖有影響，但影響較??；由圖7（a）可知，在V=0.3、0.4 m/s時(shí)，不同間距的振幅范圍分別在0.02～0.065D，0.1～0.14D，變化不大；外流速0.5 m/s時(shí)，這種單調(diào)性的增加開(kāi)始發(fā)生變化。間距為10D時(shí)，立管振幅增加幅度逐漸減小，外流速0.6 m/s以后，振幅處于各間距中的最小值，而間距為4D時(shí)，立管振幅增加幅度逐漸增大，外流速0.6 m/s以后，始終處于最大值。當(dāng)外流速達(dá)到0.8 m/s時(shí)，間距10D時(shí)，下游管位移最大值為0.59D，而間距為4D時(shí)位移最大值為0.71D，下游管不同間距時(shí)的位移變化被包絡(luò)在4D與10D時(shí)的下游立管位移之間。

圖6 不同間距時(shí)下游管隨外流變化的位移時(shí)程曲線及頻譜圖Fig.6 Variation of time histories of downstream riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

由圖7可以得到，單獨(dú)立管在V=0.6 m/s時(shí)發(fā)生經(jīng)典的VIV鎖振，隨著外流速的增加，立管振幅逐漸減小，跳出鎖振區(qū)域。同單獨(dú)立管相比，間距3～7D時(shí)，V=0.6 m/s以后下游立管振幅仍呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)，并沒(méi)有出現(xiàn)振幅的急劇增加或減小，外流0.8 m/s時(shí)，幾種不同間距的工況下位移最小值為3D時(shí)，為0.59D，最大為4D時(shí)，為0.71D，而單獨(dú)立管僅為0.37D，與此相比，不同間距下（3～7D）的下游立管，振幅增加均超過(guò)50%。而由圖7（b）可以看出，單獨(dú)管的振動(dòng)曲線與間距10D時(shí)基本一致，只是在外流超過(guò)0.7 m/s時(shí)，間距10D時(shí)的下游立管振幅有增大的趨勢(shì)，由此說(shuō)明，間距為10D時(shí)，上游立管對(duì)下游立管的振動(dòng)仍有較大影響。由圖7還可以看出，外流V=0.6 m/s以后，和單獨(dú)立管相比，沒(méi)有觀測(cè)到一個(gè)峰值，各個(gè)間距下的振幅隨外流都單調(diào)增加，但增加幅度逐漸減小，這種現(xiàn)象可能是由于下游立管漩渦脫落產(chǎn)生振動(dòng)并被上游立管的漩渦脫落所加強(qiáng)，從而導(dǎo)致振幅變大。

圖7（a） 為不同間距時(shí)下游立管和單獨(dú)立管隨外流變化的位移最大值；（b）為下游立管和單獨(dú)立管隨外流變化的位移均方根值Fig.7 (a)The maximum displacement/diameter of the downstream and single risers versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the downstream and single risers versus current velocity with different distance

2.1.2 上游立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

由圖8可知，立管振幅都隨著外流速的增大而逐漸增大，但較上游立管振幅偏小，不同間距之間的幅值在同一級(jí)外流下差別不大，但仍有一定的規(guī)律性，特別是在V=0.6 m/s以后，隨著間距的增大振動(dòng)幅值逐漸增大，如在V=0.8 m/s時(shí)，隨著間距的增大，位移值分別為0.32D、0.33D、0.34D、0.37D、0.40 D和0.41D。

圖8 不同間距時(shí)上游立管隨外流變化的位移時(shí)程曲線及頻譜圖Fig.8 Variation of time histories of upstream riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

由9（a）可以看出，在間距為3D、4D、5D的上游立管在試驗(yàn)中均觀測(cè)到了鎖振現(xiàn)象，這與單獨(dú)立管的現(xiàn)象相似，但與經(jīng)典的VIV鎖振現(xiàn)象不同的是，在跳出鎖振區(qū)間后，振幅下降很小，如間距為4D時(shí)，當(dāng)鎖振時(shí)位移均方根值為0.22D，而跳出鎖振時(shí)為0.21D，變化較小，較同一外流速的單獨(dú)管，位移均方根值較大且減小趨勢(shì)緩慢，間距為6D、7D、10D的立管沒(méi)有觀測(cè)到鎖振現(xiàn)象，振幅呈單調(diào)增加的趨勢(shì)，只是在V=0.6 m/s以后，這種增加的趨勢(shì)變得非常緩慢。

圖9（a） 為不同間距時(shí)上游立管和單獨(dú)立管隨外流變化的位移最大值；（b）為上游立管和單獨(dú)立管隨外流變化的位移均方根值Fig.9 (a)The maximum displacement/diameter of the upstream and single risers versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the upstream and single risers versus current velocity with different distance

由上述分析可知，下游立管幅值均單調(diào)性地增加，只是不同間距下振幅值及增加幅度不同，與單獨(dú)管相比，沒(méi)有觀測(cè)到經(jīng)典的VIV鎖振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能是由于下游立管漩渦脫落產(chǎn)生振動(dòng)并被上游立管的漩渦脫落所加強(qiáng)，從而導(dǎo)致振幅變大。由此可知，改變了兩者的間距從而改變了干涉的影響區(qū)域，促使漩渦脫落形式發(fā)生變化，使兩立管由于漩渦脫落引起的振動(dòng)發(fā)生顯著改變。

圖10 不同間距時(shí)來(lái)流向右側(cè)立管隨外流變化的位移時(shí)程曲線及頻譜圖Fig.10 Variation of time histories of the right(from the in-line direction)riser displacement/diameter versus current velocity and frequency spectrogram with different distance

2.2 立管并肩排列

圖10為不同間距時(shí)，并肩排列立管隨外流變化的無(wú)量綱位移時(shí)程曲線以及頻譜圖，本次實(shí)驗(yàn)較以前研究?jī)闪⒐荛g距相對(duì)較大，分別變換5種不同間距，以來(lái)流向右側(cè)立管討論并肩排列在不同間距時(shí)干涉對(duì)立管渦激振動(dòng)的影響規(guī)律。

與前后排列不同的是，兩立管在各個(gè)間距下都發(fā)生了VIV鎖振，由于支撐條件及管材的差異性，在較大流速時(shí)振幅有所差別，但差別不大，如V=0.7m/s時(shí)，間距為3～10D時(shí)立管的振幅分別為0.62D、0.69D、0.66D、0.65D、0.72D和0.69D。與單獨(dú)管相比，僅在流速較大時(shí)，振幅相差較大，如V=0.8 m/s時(shí)，單獨(dú)管振幅為0.37D，而各種間距下振幅的最小值為間距3D時(shí)，為0.61D，這與前后排列時(shí)的結(jié)果相似，這種現(xiàn)象也可以解釋為相鄰立管的尾流相互干涉導(dǎo)致振幅變大，但規(guī)律性不強(qiáng)，還要進(jìn)行更深入的研究。

而圖11（b）將這種差異體現(xiàn)得更加明顯，較單獨(dú)管，立管在各個(gè)間距下特別是小流速時(shí)，振幅增加較為平緩，振幅總體變化趨勢(shì)和單獨(dú)管相似；但隨著外流速的增加，特別是發(fā)生鎖振現(xiàn)象時(shí)，并肩排列的立管比單獨(dú)管振動(dòng)更加劇烈，振幅增加相對(duì)值更大。由圖11還可以看出，不同間距下立管的振動(dòng)有一定的離散性，如V=0.8 m/s時(shí)，間距為3～10D時(shí)的立管振幅分別為0.61D、0.70D、0.63D、0.62D、0.73D和0.75D，沒(méi)有觀測(cè)到隨間距明顯規(guī)律性的變化。

圖11（a） 為不同間距時(shí)來(lái)流向右側(cè)立管和單獨(dú)立管隨外流變化的位移最大值；（b）為來(lái)流向右側(cè)立管和單獨(dú)立管隨外流變化的位移均方根值Fig.11 (a)The maximum displacement/diameter of the right(from the in-line direction)riser and single riser versus current velocity with different distance and(b)The RMS displacement/diameter of the right(from the in-line direction)riser and single riser versus current velocity with different distance

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了兩個(gè)端部均為鉸接的海洋立管分別在前后排列、并肩排列時(shí)的相互干涉作用，試驗(yàn)中分別變換不同的間距，并與單獨(dú)立管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）兩立管前后排列時(shí)，下游管在不同間距時(shí)振幅隨外流均呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)，增加幅度在外流較大時(shí)變小，間距為4D時(shí)的下游管振幅較其他間距始終最大，立管不同間距時(shí)的位移變化曲線被包絡(luò)在4D與10D時(shí)的下游立管位移之間。

（2）兩立管前后排列間距為3～7D時(shí)，下游管與單獨(dú)立管相比，振幅增加均超過(guò)50%，各個(gè)間距下的振幅隨外流都單調(diào)增加，沒(méi)有觀測(cè)到一個(gè)峰值，沒(méi)有觀測(cè)到經(jīng)典的VIV鎖振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能是由于下游立管漩渦脫落產(chǎn)生振動(dòng)并被上游立管的漩渦脫落所加強(qiáng)，從而導(dǎo)致振幅變大。

（3）兩立管前后排列時(shí)，特別是間距為3～5D時(shí)，從上游立管觀測(cè)到了鎖振現(xiàn)象，與單獨(dú)管不同的是，跳出鎖振區(qū)間后振幅減小趨勢(shì)緩慢。

（4）兩立管并肩排列時(shí)，振動(dòng)體現(xiàn)出一定的對(duì)稱性，與前后排列不同的是，兩立管在各個(gè)間距下都發(fā)生了VIV鎖振。在外流速較大時(shí)，與單獨(dú)管相比，振幅相差較大。不同間距立管的振動(dòng)有一定的離散性，沒(méi)有觀測(cè)到隨間距明顯規(guī)律性的變化。

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