CN116070548A - 一种深水立管涡激振动分析方法、系统、模型及设备 - Google Patents

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CN116070548A CN202310200352.0A CN202310200352A CN116070548A CN 116070548 A CN116070548 A CN 116070548A CN 202310200352 A CN202310200352 A CN 202310200352A CN 116070548 A CN116070548 A CN 116070548A
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党鹏博
崔承威
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Abstract

本发明属于深水立管涡激振动数据处理技术领域，公开了一种深水立管涡激振动分析方法、系统、模型及设备。确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分；基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力；输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；求解立管涡激振动位移、速度及加速度动力学参数，直到计算时间结束。本发明更加准确地反映外部海流和含水合物相变多相内流联合激励下深水立管涡激振动规律。

Description

一种深水立管涡激振动分析方法、系统、模型及设备
技术领域
本发明属于深水立管涡激振动数据处理技术领域，尤其涉及一种深水立管涡激振动分析方法、系统、模型及设备。
背景技术
涡激振动特性研究是深水立管结构设计、响应预测及疲劳寿命评估等工程技术领域的理论基础，也是流体力学和结构动力学中的热点问题。
目前在深水立管涡激振动研究中均将管内流体视为单相均匀流以及简单气液两相流，但在实际深水油气输送过程中，管内会同时存在原油、天然气和水等多相流体，深水复杂温度场和压力场会导致管内产生水合物相变，水合物的相变会改变多相流体流动特性，使深水立管涡激振动响应更加复杂。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前深水立管涡激振动研究中均未考虑水合物相变的影响，对立管涡激振动响应预测不够准确，无法真实反映深水立管服役状态。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种深水立管涡激振动分析方法、系统、模型及设备。
所述技术方案如下：一种深水立管涡激振动分析方法包括以下步骤：
S101，确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分；
S102，基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力；
S103，输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相内流速度、加速度、密度及压力引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；
S104，采用Newmark-β迭代求解立管涡激振动位移、速度及加速度动力学参数。
在步骤S102中，基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力包括：
通过相平衡曲线判断管内不同区域水合物的生成和分解，采用Chen-Guo模型计算得到水合物相平衡曲线，表达式为：
；
式中，为气体组分的逸度，为气体和水生成水合物时逸度的最小值，为气体分子在空隙中的占有率，为气体成分，为Langmuir常数，为实验常数。
在一个实施例中，水合物的生成过程为水合物在液滴表面成壳并逐渐向内扩展的过程，基于Vysniauskas-Bishnoimodel水合物生成动力学模型以及Turner水合物壳理论，得到水合物生成速率，表达式为：
；
式中，为水合物相变速率，为水合物生成速率常数，为立管截面积，为水合物开始生成时的含水率，为液滴直径，为截面含水率，为活化能，为过冷度，为管内压力，为气体常数，为温度，为实验常数，为实验常数，为实验常数。
在一个实施例中，水合物的分解过程为球形颗粒由外向内逐渐消融的过程，根据Kim-Boshini水合物分解动力学模型，得到水合物分解速率，表达式为：
；
式中，为水合物相变速率，是水合物分解速率常数，为立管截面积，为水合物开始生成时的含水率，是水合物开始分解时的含水率，是截面水合物体积分数，为活化能，为气体常数，为温度，为反应平衡气体逸度，为局部气体逸度。
在步骤S103中，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵包括：
（1）基于漂移流动理论对含水合物相变多相内流进行建模，通过质量守恒方程、动量守恒和能量守恒方程求解流动参数；
（2）采用四点差分格式对含水合物相变多相内流进行数值求解，得到管内流动参数。
在一个实施例中，通过质量守恒方程、动量守恒和能量守恒方程求解流动参数包括：
（a）根据质量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的质量守恒方程的表达式为：
；
；
；
式中，为对空间的偏微分，为气相密度，为气相体积分数，为立管内部截面积，为气相上返速度，为对时间的偏微分，为气相质量流量，为水合物中天然气的质量分数，为水合物相变速率，为液相密度，为液相体积分数，为液相上返速度，为水合物相密度，是截面水合物体积分数；为水合物相上返速度。
（b）根据动量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的动量守恒方程为：
；
式中，为气相上返速度的平方，为液相上返速度的平方，为水合物相上返速度的平方，为重力加速度，为对空间的导数，为管内压力，为摩阻压降；
（c）根据能量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的能量守恒方程为：
；
式中，为焓，由内能和压能两部分组成；为重力加速度，为气相上返速度的平方，为液相上返速度的平方，为对空间的偏微分，为内流流速，为内流与壁面摩擦系数，为流体质量流量，为立管内径，为水合物相变热，为水合物平均分子量，为液相质量流量，为流体与环境间的传热系数，为环境温度，为管内温度；
所述求解流动参数具体包括以下步骤：
（Ⅰ）离散后的质量守恒方程为：
；
式中，为时间节点位置，为空间节点位置，为空间网格长度，为时间网格长度；
（Ⅱ）离散后的动量守恒方程为：
；
式中，为摩阻压降，为时间节点位置，为压力对空间的导数，为压力的微分，为空间的微分；
（Ⅲ）离散后的能量守恒方程为：
；
式中，为流体与环境间的传热系数。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述深水立管涡激振动分析方法的分析系统，该分析系统包括：
相流量、温度、压力确定模块，用于确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分；
管内水合物相变状态判断模块，用于基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力；
矩阵计算模块，用于输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相内流速度、加速度、密度及压力引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；
动力学参数求解模块，用于采用Newmark-β迭代求解立管涡激振动位移、速度及加速度动力学参数，直到计算时间结束。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述深水立管涡激振动分析方法的模型，该模型底部连接水下井口，顶部与浮式生产平台相连，立管在顶张力和自重影响下形成初始平衡状态，在内外流联合激励下产生涡激振动。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述深水立管涡激振动分析方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：本发明提供的考虑深水立管涡激振动分析方法，将内部水合物相变引起的内流速度、加速度、密度及压力等流动参数变化引入深水立管涡激振动方程，进而预测立管涡激振动响应，更加准确地反映外部海流和含水合物相变多相内流联合激励下深水立管涡激振动规律。
第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明公开的考虑深水立管涡激振动分析方法，通过建立深水立管内含水合物相变多相内流数值模型，将考虑水合物生成和分解引起的管内多相流速度、加速度、密度以及压力引入立管涡激振动微分方程，进而通过Newmark-β法求解得到立管涡激振动特性，提高了深水立管涡激振动响应预测准确性。首次在立管涡激振动分析考虑水合物相变的影响，使本发明预测的深水立管涡激振动运动与受力和深水实际服役环境更加相符，实现了含水合物相变多相内流深水立管涡激振动响应精准预测，可为深水立管安全运动提供技术支持。
第三、作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在本发明的技术方案克服了技术偏见：深水立管动力响应未实现精准预测：现有立管运动模型仅考虑浮式平台运动、表面波浪及海流条件，忽略管内水合物相变多相内流作用，对深水立管三维非线性动力响应的预测精度不够高。本发明形成了考虑水合物相变多相内流深水立管动力响应精准预测技术，研究成果在中海油海上油田及获得应用，解决了深海立管重大“卡脖子”技术难题，整体达到国际先进水平，其中考虑内流相变的深水立管动力响应精准预测技术处于国际领先水平。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的深水立管涡激振动分析方法流程图；
图2是本发明实施例提供的含水合物相变多相内流深水立管涡激振动分析系统示意图；
图3是本发明实施例提供的构建的含水合物相变多相内流深水立管模型示意图；
图4是本发明实施例提供的不同进气量下管内温度及相平衡温度曲线示意图；
图5（a）是本发明实施例提供的立管涡激振动振幅包络中工况1图；
图5（b）是本发明实施例提供的立管涡激振动振幅包络中工况2图；
图5（c）是本发明实施例提供的立管涡激振动振幅包络中工况3图；
图中：1、相流量、温度、压力确定模块；2、管内水合物相变状态判断模块；3、矩阵计算模块；4、动力学参数求解模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一、解释说明实施例。
实施例1。
本发明实施例提供的深水立管涡激振动分析方法包括以下步骤：
基于多相流理论和水合物动力学模型，建立深水立管内含水合物相变多相内流数值模型，采用四点差分格式求解水合物相变区域及流动参数，将其将内部水合物相变引起的内流速度、加速度、密度及压力等流动参数变化引入涡激振动方程，并通过Newmark-β法求解含水合物相变多相内流深水立管涡激振动响应，更加准确地反映外部海流和含水合物相变多相内流联合激励下深水立管涡激振动规律。
实施例2。
如图1所示，本发明实施例提供的深水立管涡激振动分析方法具体包括以下步骤：
S101，确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分。
S102，基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力。
S103，输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相内流速度、加速度、密度及压力引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵。
S104，采用Newmark-β迭代求解立管涡激振动位移、速度及加速度等动力学参数，直到计算时间结束。
在本发明实施例中，现有技术中，深水立管模型中引入以下假设：（1）立管为均质线弹性材料；（2）立管涡激振动变形后截面保持圆形并垂直于轴向；（3）忽略立管剪切变形和扭转变形；（4）立管外流体为无粘、无旋、不可压缩理想流体。
以立管与井口连接处为原点，海流方向为X轴，垂直于海流方向为Y轴，海底井口到海面平台方向为Z轴建立笛卡尔坐标系。
立管不同位置不同时刻涡激响应的Y方向位移可表示为：
。
式中，为Y方向位移，单位为m；为不同位置不同时刻Y方向位移，单位为m；为空间位置，单位为m；为时间位置，单位为s。
立管单元变形后的微分弧长如下：
；
式中，为微分弧长；为立管单元在Y方向上的长度，单位为m；为立管单元在竖直方向上的长度，单位为m；为Y方向位移关于空间的导数，为不同位置不同时刻Y方向位移关于空间的导数。
则有：；
式中，为弧长关于空间的导数，为微分弧长，为弧长关于空间的导数。
立管在内外流共同作用下的涡激振动方程为：
；
式中，为单位长度立管质量，单位为kg；为单位长度立管内部流体质量，单位为kg；为单位长度立管附加流体质量，单位为kg；为立管结构阻尼系数，无因次量纲；为不同位置不同时刻Y方向位移，单位为m，为内部流体速度，单位为；为弧长，单位为m；为轴向力，单位为；为立管弹性模量，单位为；为立管截面惯性矩，单位为；上标为对时间的微分；上标为对时间的二阶微分；上标为对空间的微分；上标为对空间的二阶微分；上标（4）代表为对空间的四阶微分；上标（5）代表为对空间的五阶微分；为涡激力，单位为；
假定立管两端处于铰支状态，则立管边界条件为：
；
；
式中，为不同位置不同时刻Y方向位移，单位为m，为立管顶部位置，单位为m；为时间位置，单位为s，为空间位置，单位为m，为不同位置不同时刻Y方向位移关于空间的二阶导数，单位为m·s-2。
将立管涡激振动位移转化为Hermite插值函数形式为：
。
式中，为形函数矩阵。为第1位置不同时刻Y方向位移，为第2位置不同时刻Y方向位移，为第1位置不同时刻Y方向位移对空间的微分，为第2位置不同时刻Y方向位移对空间的微分；
形函数表达式如下：
；
式中，为立管单元长度，单位为米（）。
采用Hermite插值法离散后涡激振动方程的矩阵形式如下：
；
式中，为总体质量矩阵，为总体阻尼矩阵，为总体刚度矩阵，为涡激力矩阵，分别为Y方向位移矩阵、Y方向位移矩阵关于时间的一阶导数、Y方向位移矩阵关于时间的二阶导数。
；
；
；
；
式中，形函数矩阵对空间的微分，形函数矩阵对空间的二阶微分，为涡激力矩阵的对空间的阶微分，为常数；为常数；为总体刚度矩阵对空间的阶微分；为总体阻尼矩阵对空间的阶微分，为总体质量矩阵对空间的阶微分。
而在本发明实施例中，深水立管是涡激振动具有非线性大变形特点，本发明采用Newmark-β法求解横向涡激振动响应。具体包括以下步骤：
在离散后的深水立管振动方程中可知，管内流体流动参数的变化对立管质量、刚度、阻尼都会造成影响。当管内多相内流产生水合物相变时，水合物的生成和分解会改变内流速度、加速度、密度及压力等流动参数。
因此需要通过对含水合物相变多相内流进行建模，将管内流体流动参数变化代入立管涡激振动方程，进一步计算得到深水立管涡激振动响应。
由于在多相内流中考虑水合物相变，因此需要通过相平衡曲线判断管内不同区域水合物的生成和分解，采用Chen-Guo模型计算得到水合物相平衡曲线：
；
；
式中，为气体组分的逸度，为气体和水生成水合物时逸度的最小值，为气体分子在空隙中的占有率，为气体成分，为Langmuir常数，为实验常数。
水合物生成过程视为水合物在液滴表面成壳并逐渐向内扩展的问题，基于Vysniauskas-Bishnoimodel水合物生成动力学模型以及Turner水合物壳理论，水合物生成速率为：
；
式中，为水合物相变速率，单位为m3/s；为水合物生成速率常数，无因次量纲；为立管截面积，单位为m2；为水合物开始生成时的含水率，无因次量纲；为液滴直径，单位为m；为截面含水率，无因次量纲；为活化能，为过冷度，单位为K；为管内压力，单位为Pa；为气体常数，无因次量纲；为温度，单位为K；为实验常数，无因次量纲；为实验常数，无因次量纲；为实验常数，无因次量纲。
水合物分解过程视为球形颗粒由外向内逐渐消融问题，根据Kim-Boshini水合物分解动力学模型，水合物分解速率为：
；
式中，为水合物相变速率，单位为m3/s；是水合物分解速率常数，无因次量纲；为立管截面积；为水合物开始生成时的含水率，是水合物开始分解时的含水率，无因次量纲；是截面水合物体积分数，无因次量纲；为过冷度，为气体常数，为温度，为反应平衡气体逸度，单位为Pa；为局部气体逸度，单位为Pa。
基于漂移流动理论对含水合物相变多相内流进行建模，并通过质量守恒方程、动量守恒和能量守恒方程求解流动参数。
内流模型引入以下假设：（1）流动符合连续介质理论；（2）管内压力在截面上相等；（3）忽略气体与水之间的传质；（4）假设水合物分解只产生甲烷和水；（5）流动为沿立管轴向的一维流动；（6）水和水合物均不可压缩。
根据质量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的质量守恒方程为：
；
；
。
根据动量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的动量守恒方程为：
；
。
根据能量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的能量守恒方程为：
。
采用四点差分格式对含水合物相变多相内流进行数值求解，得到管内流动参数。
离散后的质量守恒方程为：
。
离散后的动量守恒方程为：
；
。
离散后的能量守恒方程为：
。
以上式中，为对空间的偏微分，为气相密度，单位为kg·m-3；为气相体积分数，无因次量纲；为立管内部截面积，单位为m2；为气相上返速度，单位为m·s-1；为气相质量流量，单位为kg·s-1；为水合物中天然气的质量分数，无因次量纲；为水合物相变速率，单位为m3·s-1；为液相密度，单位为kg·m-3；为液相体积分数，无因次量纲；为液相上返速度，单位为m·s-1；为对时间的偏微分，为水合物相密度，单位为kg·m-3；是截面水合物体积分数，无因次量纲；为水合物相上返速度，单位为m·s-1；
为气相上返速度的平方，为液相上返速度的平方，为水合物相上返速度的平方，为重力加速度，单位为m·s-2，为对空间的导数，为管内压力，单位为MPa，为摩阻压降，单位为MPa；
为焓，由内能和压能两部分组成，单位为J；为重力加速度，单位为m·s-2；为气相上返速度的平方，为液相上返速度的平方，为对空间的偏微分；为内流流速，单位为m·s-1；为内流与壁面摩擦系数，为流体质量流量，单位为kg·s-1；为立管内径，单位为m；为水合物相变热，单位为J；为水合物平均分子量，单位为kg·mol-1；为液相质量流量，单位为kg·s-1；为流体与环境间的传热系数，无因次量纲；为环境温度，单位为K；为管内温度，单位为K；
为时间节点位置，为空间节点位置，为空间网格长度，为时间网格长度；
为摩阻压降，单位为MPa；为时间节点位置，为压力对空间的导数，为压力的微分，为空间的微分；
式中，为流体与环境间的传热系数，无因次量纲。
实施例3。
如图2所示，本发明实施例提供的含水合物相变多相内流深水立管涡激振动分析系统包括：
相流量、温度、压力确定模块1，用于确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分。
管内水合物相变状态判断模块2，用于基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力。
矩阵计算模块3，用于输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相内流速度、加速度、密度及压力引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵。
动力学参数求解模块4，用于采用Newmark-β迭代求解立管涡激振动位移、速度及加速度等动力学参数，直到计算时间结束。
实施例4。
如图3所示，构建的含水合物相变多相内流深水立管模型，底部连接水下井口，顶部与浮式生产平台相连，立管在顶张力和自重影响下形成初始平衡状态，在内外流联合激励下产生涡激振动。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
二、应用实施例：
应用例1。
本发明实施例提供的流水合物相变的深水立管涡激振动分析方法可应用于深水油气混输立管涡激振动响应预测。
以下以某深水立管为例，对本申请公开的考虑深水立管涡激振动分析方法进行实施，首先得到不同形式进气比管内水合物相变区域以及管内流动参数，进一步计算得到不同形式海流作用下立管涡激振动响应，并与单相内流立管涡激振动计算结果进行了对比，立管及内流参数见表1。
表1立管及内流参数
基本参数 数值 单位
外径 0.26 m
壁厚 0.03 m
立管密度 7850 <![CDATA[kg/m<sup>3</sup>]]>
立管长度 1220 m
液相密度 900 <![CDATA[kg/m<sup>3</sup>]]>
水合物相密度 920
内部液体流量 30 L/s
入口温度 10 ℃
出口压力 0.1 MPa
弹性模量 <![CDATA[2.07×10<sup>11</sup>]]> <![CDATA[N/m<sup>2</sup>]]>
泊松比 0.3 -
顶张力系数 1.3 -
水深 1200 m
拖曳力系数 1.2 -
惯性力系数 2 -
附加质量系数 1.0 -
图4是不同进气量下管内温度及相平衡温度曲线。图3中管内温度曲线与相平衡曲线的交点为水合物相变临界点，在临界点以下，管内水合物处于生成阶段；在临界点以上，管内水合物处于分解阶段。可以看出当进气量增大时，管内压力降低，所对应的相平衡温度减小，因此水合物生成区域减小。
将内流速度、加速度、密度以及压力代入立管涡激振动方程中求解立管在不同进气量含水合物相变多相内流作用下立管涡激振动响应，并与单相内流进行对比，海流参数见表2。
表2海流参数
工况 海流类型 <![CDATA[表层流速/（m·s<sup>-1</sup>）]]> <![CDATA[底层流速/（m·s<sup>-1</sup>）]]>
1 均匀流 0.2 0.2
2 线性剪切流 0.4 0.2
3 线性剪切流 0.6 0.2
图5（a）-图5（c）分别是不同工况均匀流和线性剪切流作用下立管涡激振动振幅包络图。当考虑均匀流作用下立管涡激振动时，与单相内流相比，随着进气量增大，含水合物相变多相内流增大了立管自振频率，故涡激振动振幅随之减小。从图还可以看出由于剪切流作用下立管会呈现出多模态响应的形式，因此含水合物相变多相内流进气量增加会明显改变立管展向与海流之间频率锁定的模态，进而影响立管涡激振动横向振幅包络。
应用例2
本发明实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random AccessMemory，RAM）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深水立管涡激振动分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S101，确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分；
S102，基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力；
S103，输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相内流速度、加速度、密度及压力引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；
S104，采用Newmark-β迭代求解立管涡激振动位移、速度及加速度动力学参数。
2.根据权利要求1所述深水立管涡激振动分析方法，其特征在于，在步骤S102中，基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力包括：
通过相平衡曲线判断管内不同区域水合物的生成和分解，采用Chen-Guo模型计算得到水合物相平衡曲线，表达式为：
；
；
式中，为气体组分的逸度，为气体和水生成水合物时逸度的最小值，气体分子在空隙中的占有率，为气体成分，为Langmuir常数，为实验常数。
3.根据权利要求2所述的深水立管涡激振动分析方法，其特征在于，水合物的生成过程为水合物在液滴表面成壳并逐渐向内扩展的过程，基于Vysniauskas-Bishnoimodel水合物生成动力学模型以及Turner水合物壳理论，得到水合物生成速率，表达式为：
；
式中，为水合物相变速率，为水合物生成速率常数，为立管截面积，为水合物开始生成时的含水率，为液滴直径，为截面含水率，为活化能，为过冷度，为管内压力，为气体常数，为温度，为实验常数，为实验常数，为实验常数。
4.根据权利要求2所述的深水立管涡激振动分析方法，其特征在于，水合物的分解过程为球形颗粒由外向内逐渐消融的过程，根据Kim-Boshini水合物分解动力学模型，得到水合物分解速率，表达式为：
；
式中，为水合物相变速率，是水合物分解速率常数，为立管截面积，为液滴直径，为水合物开始生成时的含水率，是水合物开始分解时的含水率，截面水合物体积分数，为活化能，为气体常数，为温度，为反应平衡气体逸度，为局部气体逸度。
5.根据权利要求1所述的深水立管涡激振动分析方法，其特征在于，在步骤S103中，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵包括：
（1）基于漂移流动理论对含水合物相变多相内流进行建模，通过质量守恒方程、动量守恒和能量守恒方程求解流动参数；
（2）采用四点差分格式对含水合物相变多相内流进行数值求解，得到管内流动参数。
6.根据权利要求5所述的深水立管涡激振动分析方法，其特征在于，通过质量守恒方程、动量守恒和能量守恒方程求解流动参数包括：
（a）根据质量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的质量守恒方程的表达式为：
；
；
；
式中，为对空间的偏微分，为气相密度，为气相体积分数，为立管内部截面积，为气相上返速度，为对时间的偏微分，为气相质量流量，为水合物中天然气的质量分数，为水合物相变速率，为液相密度，为液相体积分数，为液相上返速度，为水合物相密度，是截面水合物体积分数；为水合物相上返速度；
（b）根据动量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的动量守恒方程为：
；
式中，为气相上返速度的平方，为液相上返速度的平方，为水合物相上返速度的平方，为重力加速度，为对空间的导数，为管内压力，为摩阻压降；
（c）根据能量守恒定律，含水合物相变多相内流中气相、液相以及水合物相的能量守恒方程为：
；
式中，为焓，为重力加速度，为气相上返速度的平方，为液相上返速度的平方，为对空间的偏微分，为内流流速，为内流与壁面摩擦系数，为水合物相变速率，为流体质量流量，为立管内径，为水合物相变热，为水合物平均分子量，为液相质量流量，为流体与环境间的传热系数，为环境温度，为管内温度；
所述求解流动参数具体包括以下步骤：
（Ⅰ）离散后的质量守恒方程为：
；
式中，为时间节点位置，为空间节点位置，为空间网格长度，为时间网格长度；
（Ⅱ）离散后的动量守恒方程为：
；
式中，为摩阻压降，为时间节点位置，为压力对空间的导数，为压力的微分，为空间的微分；
（Ⅲ）离散后的能量守恒方程为：
；
式中，为流体与环境间的传热系数。
7.一种实现权利要求1-6任意一项所述深水立管涡激振动分析方法的系统，其特征在于，该系统包括：
相流量、温度、压力确定模块（1），用于确定多相内流各相流量以及立管入口处温度和压力条件并进行网格划分；
管内水合物相变状态判断模块（2），用于基于水合物相平衡模型及生成分解动力学模型，根据管内温度和压力条件，判断管内水合物相变状态并计算多相内流速度、加速度、密度及压力；
矩阵计算模块（3），用于输入立管参数并进行单元划分，将含水合物相变多相内流速度、加速度、密度及压力引入离散后立管涡激振动方程，计算立管质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；
动力学参数求解模块（4），用于采用Newmark-β迭代求解立管涡激振动位移、速度及加速度动力学参数，直到计算时间结束。
8.一种实施权利要求1-6任意一项所述深水立管涡激振动分析方法的模型，其特征在于，该模型底部连接水下井口，顶部与浮式生产平台相连，立管在顶张力和自重影响下形成初始平衡状态，在内外流联合激励下产生涡激振动。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-6任意一项所述深水立管涡激振动分析方法。
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