CN108168684B - 一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋深水立管的研究方法，特别涉及一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法。本发明考虑圆柱间距，通过拟合手段得到了下游圆柱响应频率的一种计算方法，解决了串列圆柱体尾流振动响应频率的计算问题，为深水串列立管中的前期设计和深水立管研究提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及海洋深水立管的研究方法，特别涉及一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法。
背景技术
目前，海洋油气开发热点为深水油气开采。随着水深增加，常使用柔性开发系统(使用悬链式立管作为生产立管的海上油气开发系统，其采油树放置于海底)。但是，相对于浅水开发常用的开发系统刚性开发系统(使用顶张力立管作为生产立管的海上油气开发系统，其采油树放置于平台上)，由于其采油树位置不处于海底，维修安装会更为方便。因此，干树半潜平台成为了石油开采平台的研究热点，该平台中使用顶张力立管作为生产立管。立管排列方式为串列立管。
当两个沿着流向排列的圆柱体受到来流作用时会产生涡激振动，其中下游圆柱由于收到上游圆柱的尾流尾涡影响，其振动幅值和振动频率与单圆柱相比有显著不同。当水流流过串列圆柱体时，上下游圆柱都会受到流体荷载作用，此载荷不是单频率载荷而是随机荷载，其响应频率分析较为复杂。其中，上游圆柱受到的荷载情况是典型的圆柱扰流情况，与上游圆柱不同的是，下游圆柱会受到上游立管所产生尾流尾涡影响。上游圆柱运动情况一般称作涡激振动(VIV)，下游圆柱运动情况一般称作为尾流振动(WIV)。对于VIV而言，其尾涡泄放频率fst为：
式中，St为斯托哈尔数，通常取0.2；U为来流速度；D为直径。
尾涡泄放即导致了涡激升力的产生，其频率与尾涡泄放频率相等，涡激升力是导致其振动最主要的激励力。
对于圆柱处于流场中的响应频率指的即圆柱结构在流体作用下的振荡频率。“同步”状态指的是激励力频率与振荡频率相等时圆柱体结构所处的状态，目前认为，当VIV发生时圆柱始终处于“同步”状态。可以得到，未“锁定”时圆柱振荡频率等于尾涡泄放频率。
对于下游圆柱体，其振荡模式(WIV)与VIV不同，其没有“锁定状态”。同时其振荡频率与fst不相等，见图1。从图1中可以看出，下游圆柱体响应频率偏离了理论上游立管振动(VIV)曲线(图中虚线所示)，其变化较为复杂。
目前现有技术已有上游圆柱涡激频率计算方法，没有对下游圆柱振动频率的计算方法。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法。
本发明的技术方案为：
一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法，包括如下步骤：
1)计算圆柱固有频率，圆柱固有频率随着边界条件的改变计算公式不同：
a、两端铰支
式中，n为阶数，取1；
l为圆柱长度；
EI为抗弯刚度，其大小与圆柱材料和结构有关；
为单位长度圆柱质量；
b、两端固定
式中，l为圆柱长度；
EI为抗弯刚度，其大小与圆柱材料和结构有关；
为单位长度圆柱质量；
2)计算斯托哈尔频率
斯托哈尔频率fst计算公式为：
式中，St取0.2；
U为来流速度；
D为尾流圆柱直径；
3)计算约化速度
约化速度Vr计算公式为：
式中，U为来流速度；
D为尾流圆柱直径；
fn为固有频率，取一阶频率；
4)约化速度值小于6时，计算振动响应频率
式中，fex为振动响应频率；
fst为斯托哈尔频率；
T为上下游圆柱间距；
D为尾流圆柱直径。
本发明的有益效果是：
本发明考虑圆柱间距，将上游圆柱振动频率fst与下游圆柱振动频率fex联系起来，通过拟合手段得到了下游圆柱响应频率的一种计算方法，解决了串列圆柱体尾流振动响应频率的计算问题，为深水串列立管中的前期设计和深水立管研究提供理论依据。
附图说明
图1是下游圆柱体响应频率图。
具体实施方式
以下对本发明进行更加详细的说明，但不作为对本发明的限定。
一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法，包括如下步骤：
1)计算圆柱固有频率，圆柱固有频率随着边界条件的改变计算公式不同：
a、两端铰支
式中，n为阶数，取1；
l为圆柱长度；
EI为抗弯刚度，其大小与圆柱材料和结构有关；
为单位长度圆柱质量；
b、两端固定
式中，l为圆柱长度；
EI为抗弯刚度，其大小与圆柱材料和结构有关；
为单位长度圆柱质量；
2)计算斯托哈尔频率
斯托哈尔频率fst计算公式为：
式中，St取0.2；
U为来流速度；
D为尾流圆柱直径；
3)计算约化速度
约化速度Vr计算公式为：
式中，U为来流速度；
D为尾流圆柱直径；
fn为固有频率，取一阶频率；
4)约化速度值小于6时，计算振动响应频率
式中，fex为振动响应频率；
fst为斯托哈尔频率；
T为上下游圆柱间距；
D为尾流圆柱直径。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种串列圆柱体尾流振动响应频率确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)计算圆柱固有频率，圆柱固有频率随着边界条件的改变计算公式不同：a、两端铰支
式中，n为阶数，取1；
l为圆柱长度；
EI为抗弯刚度，其大小与圆柱材料和结构有关；
为单位长度圆柱质量；
b、两端固定
式中，l为圆柱长度；
EI为抗弯刚度，其大小与圆柱材料和结构有关；
为单位长度圆柱质量；
2)计算斯托哈尔频率
斯托哈尔频率fst计算公式为：
式中，St取0.2；
U为来流速度；
D为尾流圆柱直径；
3)计算约化速度
约化速度Vr计算公式为：
式中，U为来流速度；
D为尾流圆柱直径；
fn为固有频率，取一阶频率；
4)约化速度值大于0小于等于6时，计算振动响应频率
式中，fex为振动响应频率；
fst为斯托哈尔频率；
T为上下游圆柱间距；
D为尾流圆柱直径。
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