剪切流下钢悬链线立管涡激振动响应研究

　　钢悬链线立管(SCR)自从1994年第一次安装在墨西哥湾872m水深的张力腿平台Auger上以来,就备受瞩目[1]。首先钢悬链线立管的应用大大降低了水下施工量和施工难度,它与浮式结构连接时也不需要海底应力接头。其次,与顶端张紧立管相比,钢悬链立管还具有成本低,不需要顶张力补偿,对浮体漂移和升沉运动的容量大,可适应高温高压环境等优点。

　　钢悬链立管在深海得到广泛应用的同时,对其设计、制造、安装和安全服役提出了新的课题和挑战。当浮体在风、浪和流的共同作用下发生运动时,悬垂段和流线段会同时随浮体运动,从而引起触地点沿轴线变化,与此同时流线段会和海底发生相互作用。触地点的疲劳损伤主要是由浮体运动和涡激振动引起的。如果将柱体置于一定速度的来流当中,其两侧会产生交替漩涡,伴随漩涡的生成与泻放,柱体会受到横向及流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的,那么脉动流体力将引发柱体的振动,柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体—结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”。为了理解深海柔性立管的涡激振动特性,近年来,工业界与学术界对涡激振动的研究相当活跃,包括多家机构联合进行的涡激振动试验及机理研究(DeepStar,Norwegian Deepwater Program),以及各个石油公司独立进行的试验研究(如Shel,l BP, Exx-onMobil等)[2]。涡激振动的研究因而成为近年来海洋工程界研究的热点问题之一。

　　目前对涡激振动现象的理解主要是通过涡激振动试验,虽然在过去十几年已取得很大的进展,但仍然不敢宣称对涡激振动已经有了全面的理解。涡激振动试

　　验虽然有很多优点,但仍有些不足之处。比如在室外进行涡激振动试验时,流体的大小和方向就无法很好地模拟,不便于进行系列涡激振动的研究,也不便于找出涡激振动的规律;同时室外涡激振动试验的成本太昂贵,这一点主要体现在数据采集和设备的使用上。室内试验虽然可以很好地解决流速模拟问题,却不能完全模拟立管在实际海况中的情况,首要问题就是雷诺数在室内无法满足和室外情况一致。基于上述涡激振动试验的优缺点,涡激振动数值预报软件常成为学者研究涡激振动的最优选择。数值预报的结果在很大的程度上还是比较准确的。目前的涡激振动响应预报模型大多采用半经验模型。一般情况下,经验模型在预报横向位移和曲率方面要比CFD预报准确。

　　这是因为二维的CFD不能充分反应立管涡激振动的实际情况,即便是在预报弹性支撑刚性圆柱体的涡激振动响应上,也是不准的(Blackburn et al)[3]。在现有的经验模型中, Shear7[4]在预报横向涡激振动响应上要比其它数值软件的预报结果准确得多,与试验数值相比, Shear7所预报的结果偏大5%左右[5]。因此,本文采用Shear7来预报钢悬链线涡激振动响应。