满管流动悬跨管道涡激振动动态响应研究

徐学波 刘晓亮 崔铭伟

（1、山东京博石油化工有限公司，山东 滨州256500 2、山东滨化滨阳燃化有限公司，山东 滨州256600 3、滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州256600 4、滨州市应用电化学重点实验室，山东 滨州 256600）

近年来内流对悬跨管道涡激振动的影响成为一个研究热点，根据Paidoussis 和Issid（1974）对这方面历史文献的研究[1]，早在1939 年Bourrieres 就这个课题公开发表了第一篇论文[2]，Bourrieres 推导了运动方程，并在理论上和实验上检验了输送流体悬臂管道的动力不稳定性[3]。Housner 早在1952 便给出了稳定内流均匀直管的动力学方程，揭示了内流对系统的质量、阻尼和刚度影响规律[4]。

国内郭海燕[5-7]同时考虑内流与外流对立管结构的共同作用，得到立管横向与顺流向的涡激振动响应。以上研究均考虑均是重点分析悬跨管道涡激振动的某一方面，现在还没有关于悬跨管道涡激振动的成熟理论体系，也极少有研究内流状态对悬跨管道涡激振动影响理论成果。论文采用数值方法研究了满管流动条件下，海流速度、管内流速对涡激振动响应的影响，以期为海底悬跨管道完整性运行提供理论借鉴。

1 悬跨管道涡激振动数值分析可靠性验证

1.1 悬跨管道涡激振动动态响应仿真条件无关性分析

如不做特殊说明，研究悬跨管道物理参数如表1 所示。

表1 悬跨管道物理参数网格密度分析

表2 表示不同网格密度对悬跨管道模型升力系数、曳力系数的影响，从表2 可以看出，随着网格密度的增加，升力系数CL、曳力系数CD 逐渐减小，当网格密度达到32 时，升力系数CL、曳力系数CD的变化已经很小。因此模拟选择8/10m的网格密度。

表2 不同网格密度模型对升力系数、曳力系数的影响

1.2 悬跨管道涡激振动动态响应实验验证

本文参考文献[8]的实验结果，验证了数值仿真的可靠性，图1(a)(b)分别表示本文数值仿真结果与文献[8]中图3.9-3.13 结果的对比，从图1 可以看出，数值仿真的计算结果与文献[8]实验结果吻合的较好，证明本文数值仿真方法能够满足悬跨管道涡激振动动态响应的研究要求。

图1 仿真数据与实验数据对比

2 考虑满管流影响的悬跨管道涡激振动动态响应

2.1 不同海流速度满管流悬跨管道涡激振动动态响应

从表3 可以看出，随着海流速度增加，横向振幅越来越大，在vout=3m/s 时达到最大，vout＞3m/s 后，横向振幅有所减小，说明vout=3m/s 时悬跨管道处于涡激共振状态，与不考虑内流悬跨管道涡激共振明显不同的是[8]，振幅明显减小，减小接近1 个量级；导致涡激共振的海流速度比相同条件下不考虑内流涡激共振的海流速度1m/s 大出许多，接近3 倍。

表3 不同海流速度悬跨满管流管道涡激振动动态响应参数

2.2 不同管内流速满管流悬跨管道涡激振动动态响应

从表4 可以看出，随着管内流速增加，横向振动频率变化不大，横向振动振幅逐渐减小，由内流速度vin=0.5m/s 时，看似即将达到涡激共振，到vin=80m/s 时，悬跨管道涡激振动振幅完全远离共振振幅。这样的结果虽然不会导致悬跨管道涡激共振，但过大的挠度（在间隙比足够大的条件下）会导致悬跨管道静态瞬间失稳，从而造成更大的危险。

表4 不同管内流速悬跨满管流管道涡激振动动态响应参数

3 结论

综合研究分析，可以得到以下结论：

3.1 通过网格无关性、时间步长及涡激振动动态响应实验验证，证明论文采用的数值仿真研究方法得到的满管流动悬跨管道涡激振动动态响应结果是可靠的。

3.2 海流速度的增加，横向振幅增大，与不考虑内流悬跨管道涡激共振相比，振幅明显减小接近1 个量级；涡激共振的海流速度比相同条件下不考虑内流涡激共振的大出许多，接近3 倍。

3.3 管内流速的增加，横向振动频率变化不大，横向振动振幅逐渐减小，不会导致涡激共振，但过大的挠度（在间隙比足够大的条件下）会导致悬跨管道静态瞬间失稳，从而造成更大的危险。