考虑流固耦合的大柔性圆柱体涡激振动非线性时域模型

　　涡激振动( VIV) 研究已有几十年历史，从刚性固定圆柱体涡激振动发展到弹性圆柱体涡激振动，提出若干分析模型［1 －2］，包括刚性圆柱体尾流振子模型，如Hartlen-Currie 模型、Skop-Griffin 模型、Iwan-Blevins 模型和 Landl 模型; 弹性圆柱体 Iwan 尾流振子模型、Skop-Griffin 尾流振子模型、Dowell 流体振子模型和 Krent-Nielsen 双振子模型; 单自由度模型，如 Bearman 模型和Scanlan-Simiu-Billah 模型; 力分解模型，如 Sarpkaya 模型、Griffin-Koopman 模型和 Wang 模型。

　　随着海洋油气资源开发不断向深水发展，深水立管的涡激振动问题向圆柱体的涡激振动理论提出了新的挑战。前所未有的长细比导致的大柔性，是传统圆柱体涡激振动研究中不曾涉及的领域。深水立管涡激振动区别于传统圆柱体涡激振动的最大特征是高阶多模态振动［3 －4］。此外，大柔性和大变形以及流固耦合作用也造成了深水立管系统强烈的非线性性质。目前，国外深水开发工程不采用传统的涡激振动分析模型进行立管的涡激振动分析，而采用传统的线性涡激升力模型和线性运动方程进行频域分析，如目前较为流行的商业软件 Shear7。由于频域分析方法对振型的依赖性，因此，Shear7 的两端固支模型的计算结果与立管的真实情况不符而无法应用，分析时只能采用两端铰支模型。而且，频域分析也不能考虑立管与浮式平台运动耦合问题，只能采用保守的方法来考虑浮式平台运动的影响。同时，频域方法也不能考虑流固耦合和大变形等非线性问题，其局限性是不言而喻的。

　　基于上述考虑，本文在提出考虑流固耦合的涡激升力模型基础上，结合深水立管的结构特点和流场特点，提出了一个考虑流固耦合的圆柱体涡激振动非线性分析模型。

　　1 涡激升力模型

　　涡激振动是流体流经圆柱体时由流动分离产生涡旋泄放诱发的一种结构振动现象，流动分离( 见图 1)是流体与结构的相对运动速度超过流体的绕流速度而产生的一种流动状态，不同的流体与结构相对运动速度，流动的分离点是不同的，从而产生不同的涡旋泄放模式。由此可知，圆柱体的运动将影响流动分离，从而影响涡旋泄放，这就是流固耦合的作用。尾流振子模型虽然考虑了流固耦合作用，但是将尾流处的流体作为固体来处理可能较好地描述了圆柱体运动幅度和变形较小时的弱流固耦合作用，却难以准确地反映运动幅度和变形较大的深水立管强流固耦合效应。因为，强流固耦合时，流体的附加质量和附加阻尼作用较大，同时，大幅度的相对运动对流动分离的影响较大，导致涡旋泄放模式和频率均与弱流固耦合时有较大的区别，从而与尾流振子模型描述的运动规律有较大的差异。