專利名稱：一種尾流立管的脈動拖曳力確定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究方法，具體涉及一種尾流立管的脈動拖曳力確定方法。
背景技術：
脈動拖曳力是圓柱體受到的流體流動方向上的一種交變流體荷載，由于流體的流速是恒定的，因此，脈動拖曳力是圓柱體尾流處的渦旋泄放引起的。對于彈性圓柱體而言， 脈動拖曳力將使圓柱體產(chǎn)生沿著流體流動方向的振動。而對于剛性圓柱體，脈動拖曳力并不引起圓柱體振動。這就是說，不論圓柱體是否振動，脈動拖曳力始終是存在的。
對于順流向排列的兩根立管，從上游立管脫落的渦旋在尾流處形成渦街，從而對尾流立管產(chǎn)生干擾。同時，尾流立管自身的渦旋泄放也受到上游立管渦街的影響而改變其頻率和強度。因此，尾流立管的順流向渦激振動強度遠遠大于孤立的單根立管。這個現(xiàn)象已被國內(nèi)外的專家學者注意到，并開展了相應的研究。

圖1是本發(fā)明發(fā)明人的研究結果，其中下方的曲線為尾流立管的脈動拖曳力時程，虛線是單根立管的脈動拖曳力時程，中間的曲線是上游立管的脈動拖曳力時程。從圖中可以明顯地看出，尾流立管的脈動拖曳力遠遠大于單個孤獨立管和上游立管。這將使尾流立管產(chǎn)生大幅度的順流向振動，從而引起較大的疲勞損傷。但是，現(xiàn)有技術尚沒有尾流立管脈動拖曳力的計算方法。因此，現(xiàn)行的立管渦激振動與疲勞設計不考慮立管的順流向振動，計算結果偏于不安全。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種尾流立管的脈動拖曳力確定方法，為尾流立管的順流向渦激振動與疲勞設計分析提供時域分析的途徑和依據(jù)。
本發(fā)明的技術方案如下一種尾流立管的時域脈動拖曳力確定方法，分為非渦旋泄放鎖定區(qū)和渦旋泄放鎖定區(qū)，建立的脈動拖曳力時域模型如下
a)非渦旋泄放鎖定區(qū)
FD = Cd《(:;;) cos(電/ + + jCDpD(υ- )\υ- \-^-pDii
b)渦旋泄放鎖定區(qū)
FD = CoPHU-u) cos(2辦 + 冗)+ 丄CdPD(U-u)\U- \~ — pDii2 (1 — ^7124
式中，F(xiàn)D--脈動拖曳力；
CD—拖曳力系數(shù)；
P —流體密度；
λ -上下游立管軸線之間的距離L與直徑之比L/D ；
D—尾流立管直徑；
U-流體流速；
-尾流立管順流向振動速度；
-考慮尾流干涉的渦旋泄放頻率，
權利要求
1.一種尾流立管的時域脈動拖曳力確定方法，其特征在于分為非渦旋泄放鎖定區(qū)和渦旋泄放鎖定區(qū)，建立的脈動拖曳力時域模型如下a)非渦旋泄放鎖定區(qū)CnpD{U- )2 , 、1, π2FD=cos((5st + n) + ~CDpD{U- )\υ- \-—ρΒ b)渦旋泄放鎖定區(qū)FD=^s{2cost + K) + -CDpD{U~u)\U-u\^pDu式中，F(xiàn)D-脈動拖曳力； Cd-拖曳力系數(shù)； P —流體密度；λ -上下游立管軸線之間的距離L與直徑之比L/D ； D-尾流立管直徑； U-流體流速； -尾流立管順流向振動速度；—ΙπΞ υ- )_ 一考慮尾流干涉的渦旋泄放頻率，黽二，其中，St為斯特羅哈數(shù)；t—時間；U-尾流立管順流向振動加速度； P，b-由試驗確定的系數(shù)；針對尾流立管順流向振動速度和加速度，采用迭代方法對以上公式進行計算，分別得到非渦旋泄放鎖定區(qū)和渦旋泄放鎖定區(qū)的脈動拖曳力。
2.如權利要求1所述的尾流立管的脈動拖曳力確定方法，其特征在于所述的采用迭代方法進行計算的具體步驟如下1)給定尾流立管順流向振動速度和加速度及計算時間的初值 tj = t0 = 0，2 0 =《)=0, ') = iC = 0式中j-時間步數(shù)，計算開始時j = 0 ； i-迭代次數(shù)，每個時間步開始時i = 0 ；2)計算給定流速下的約化速度LD式中乂--約化速度； U-流體流速； fn-尾流立管的固有頻率； D-尾流立管直徑；3)當t< 5或t > 7時，將、，^^，《>代入下式計算第j時間步內(nèi)第i次迭代的脈動拖曳力當5彡K 7時，將、，《 《)代入下式計算第j時間步內(nèi)第i次迭代的脈動拖曳力=COS(2辦去明—令4)將步驟幻中計算得到的脈動拖曳力FDy)代入立管的振動方程式 mii(;+]}+CUiI+^ +Jmi;^ =FD(p式中m-尾流立管的質(zhì)量； C"尾流立管的阻尼系數(shù)； k-尾流立管的彎曲剛度；<+1) —第j時間步內(nèi)第i+Ι次迭代的順流向振動位移； 《+〗)一第j時間步內(nèi)第i+Ι次迭代的順流向振動速度；第j時間步內(nèi)第i+ι次迭代的順流向振動加速度； 計算第j時間步內(nèi)第i+ι次迭代的尾流立管順流向振動的速度和加速度《+|);5)如果maX^//+”_i/y)|,|劣+D-yfsc,ε為預先設定的計算精度，則繼續(xù)進行迭代計算，令然后，重復步驟幻 幻的計算；如果max{|<+n HK+” -zifl} < ε，則開始下一個時間步的計算，令= tj+1 = VM，"f η為第j時間步的總迭代次數(shù)； 重復步驟3) 5)的計算，直至計算時長滿足需要。
全文摘要
本發(fā)明涉及海洋深水立管的研究方法，具體涉及一種尾流立管的脈動拖曳力確定方法。該方法考慮了上游立管渦街對尾流立管脈動拖曳力幅值和尾流立管渦旋脫落頻率的影響，并采用迭代方法計算時域的脈動拖曳力，從而建立了一個尾流立管的流固耦合時域脈動拖曳力計算方法，解決了尾流立管脈動拖曳力的計算問題，為尾流立管的順流向渦激振動與疲勞設計分析提供了時域分析的途徑和依據(jù)。
文檔編號G01M7/02GK102507083SQ20111029137
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者李倩, 楊超凡, 黃維平 申請人:中國海洋大學