CN110243571A - 一种尾流立管涡激升力频率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋深水立管的研究方法，特别涉及一种尾流立管涡激升力频率确定方法。本发明中的尾流立管涡激升力频率确定方法考虑了约化速度对上游立管尾流效应的影响，同时考虑了频率分离现象，从而建立了一种考虑约化速度和间距影响的尾流立管涡激升力频率确定方法，为尾流立管的涡激振动与疲劳设计分析提供升力频率确定方法。

Description

一种尾流立管涡激升力频率确定方法

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究方法，特别涉及一种尾流立管涡激升力频率确定方法。

背景技术

当两根立管顺流向排列时(串列立管)，尾流立管处于上游立管的尾流场中，上游立管对尾流立管的来流产生了遮蔽效应，使得尾流立管的来流不再是大流场的流态而是上游立管的尾流。此时，尾流立管的涡旋泄放不仅取决于雷诺数、表面粗糙度及其自身的运动状态，而且受到上游立管尾流场的影响。因此，尾流立管的涡激振动与上游立管尾流强度和其所处的上游立管尾流场位置有关。不同的间距和约化速度下，上游立管对尾流立管的影响有较大的区别。

涡激升力的交变频率等于涡旋泄放的频率，对于串列立管，从上游立管脱落的涡旋在尾流处形成涡街，从而对尾流立管产生干扰。同时，尾流立管自身的涡旋泄放也受到上游立管涡街的影响而改变其升力频率。

串列立管在定常流动流体的作用下产生涡激振动时，尾流立管由于受到上游立管尾流的作用，其横向涡激振动的频率与孤立的单根立管和上游立管均有较大的区别。研究发现，在特定的约化速度和间距下，尾流立管的升力和响应频率会出现双峰，较高峰值与上游立管频率一致，较低峰值略低于上游立管频率。在一定间距下，当约化速度增大到一定值之后，尾流立管频率较低的谱峰值会超过较高频率的谱峰值而成为卓越频率，这就导致上、下游立管升力频率不再相同，即出现频率分离现象。发生频率分离现象的约化速度即为临界约化速度。在发生频率分离后，立管升力频率有较大变化，并且随着上、下游间距的改变，临界约化速度也会发生改变。目前尚没有考虑频率分离现象的尾流立管升力频率计算方法。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种考虑约化速度和间距影响的尾流立管涡激升力频率计算方法。

本发明的技术方案为：

一种尾流立管涡激升力频率确定方法，该方法基于下述升力频率模型：

式中，a和b为与转变约化速度相关的参数：

小于临界约化速度(V_r≤g(λ))时

a＝0.9271；b＝0.01815

大于临界约化速度(V_r＞g(λ))时

a＝0.5393；b＝0.1425

——尾流立管升力频率，单位Hz；

λ——上、下游立管轴线之间的距离L与直径之比L/D；

S_t——斯特劳哈尔数；

D——立管直径，单位m；

U——流速，单位m/s；

——尾流立管顺流向振动速度，单位m/s；

g(λ)——临界约化速度，g(λ)＝6.953-0.6×|λ-7.6|；

公式(1)中的aλ^b是考虑上游立管对下游立管升力频率影响的间距函数项；g(λ)是判别串列立管是否发生频率分离的临界约化速度。

进一步的，给定流速下的约化速度：

式中：V_r——约化速度；

U——流速，单位m/s；

f_n——尾流立管的固有频率，单位Hz；

D——尾流立管直径，单位m。

本发明所达到的有益效果为：

本发明中的尾流立管涡激升力频率确定方法考虑了约化速度对上游立管尾流效应的影响，同时考虑了频率分离现象，从而建立了一种考虑约化速度和间距影响的尾流立管涡激升力频率确定方法，为尾流立管的涡激振动与疲劳设计分析提供升力频率确定方法。

附图说明

图1是不同间距下串列立管升力频率随约化速度变化规律；

图2(a)是Vr＝3.53时L/D＝8下串列立管升力系数和响应频谱图；

图2(b)是Vr＝3.53时L/D＝14下串列立管升力系数和响应频谱图。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

串列立管中的尾流立管由于受到上游立管尾流的作用，其涡激升力频率会发生较大变化。图1是不同间距下串列立管升力频率随约化速度变化规律，其中，虚线实心标志为上游立管升力频率，实线空心标志为尾流立管升力频率。从图1中可以明显地看出，尾流立管的升力频率与孤立的单根立管和上游立管均有明显的不同。特别是在一定间距下，当约化速度增大到临界约化速度后，尾流立管升力频率会产生一个突变，这就导致上、下游立管升力频率不再相同，即出现频率分离现象。在发生频率分离后，立管升力频率有较大的变化。串列立管间距不同时，发生频率分离的临界约化速度也不同。

研究发现，在特定的约化速度和间距下，尾流立管的升力和响应频率会出现双峰，较高峰值与上游立管频率一致，较低峰值略低于上游立管频率，如图2(a)和图2(b)所示，其中实线代表上游立管频谱，虚线代表尾流立管频谱。在一定间距下，当约化速度增大到临界约化速度后，尾流立管频率较低的谱峰值会超过较高频率的谱峰值而成为卓越频率，这就导致上下游立管升力和响应频率不再相同，即出现频率分离现象。由于频率分离现象的存在，用传统的斯托劳哈尔频率公式计算尾流立管升力频率将不再合适。通过分段函数的方法，在不同的约化速度和间距下，用不同的公式计算尾流立管的升力频率更准确。

本发明考虑了上游立管的涡街对尾流立管涡旋泄放的影响和频率分离现象，考虑了上、下游立管之间的距离和约化速度，提出了基于下述模型的尾流立管升力频率计算方法。

一、计算公式：

式中，a和b为与转变约化速度相关的参数：

小于临界约化速度(V_r≤g(λ))时

a＝0.9271；b＝0.01815

大于临界约化速度(V_r＞g(λ))时

a＝0.5393；b＝0.1425

——尾流立管升力频率，单位Hz；

λ——上、下游立管轴线之间的距离L与直径之比L/D；

S_t——斯特劳哈尔数；

V_r——约化速度

D——尾流立管直径，单位m；

U——流速，单位m/s；

——尾流立管顺流向振动速度，单位m/s；

g(λ)——临界约化速度，g(λ)＝6.953-0.6×|λ-7.6|；

公式(1)中的aλ^b是考虑上游立管对下游立管升力频率影响的间距函数项；g(λ)是判别串列立管是否发生频率分离的临界约化速度。

二、计算方法：

1、计算给定流速下的约化速度：

式中：V_r——约化速度；

U——流速，单位m/s；

f_n——尾流立管的固有频率，单位Hz；

D——尾流立管直径，单位m。

2、计算临界约化速度g(λ)：

g(λ)＝6.953-0.6×|λ-7.6| (3)

式中：λ——上、下游立管轴线之间的距离L与直径之比L/D。

3、当V_r≤g(λ)时，将a＝0.9271、b＝0.01815、流速、立管间距、立管直径、立管顺流向振动速度和斯特劳哈尔数代入公式(1)求得尾流立管升力频率：

4、当V_r>g(λ)时，将a＝0.5393；b＝0.1425、流速、立管间距、立管直径、立管顺流向振动速度和斯特劳哈尔数代入公式(1)中求得尾流立管升力频率：

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 (2)

1.一种尾流立管涡激升力频率确定方法，其特征在于，该方法基于下述升力频率模型：

式中，a和b为与转变约化速度相关的参数：

小于临界约化速度(V_r≤g(λ))时

a＝0.9271；b＝0.01815

大于临界约化速度(V_r＞g(λ))时

a＝0.5393；b＝0.1425

——尾流立管升力频率，单位Hz；

λ——上、下游立管轴线之间的距离L与直径之比L/D；

S_t——斯特劳哈尔数；

D——立管直径，单位m；

U——流速，单位m/s；

——尾流立管顺流向振动速度，单位m/s；

g(λ)——临界约化速度，g(λ)＝6.953-0.6×|λ-7.6|；

公式(1)中的aλ^b是考虑上游立管对下游立管升力频率影响的间距函数项；g(λ)是判别串列立管是否发生频率分离的临界约化速度。

2.根据权利要求1所述的一种尾流立管涡激升力频率确定方法，其特征在于：给定流速下的约化速度：

式中：V_r——约化速度；

U——流速，单位m/s；

f_n——尾流立管的固有频率，单位Hz；

D——尾流立管直径，单位m。