[发明专利]一种尾流立管的时域涡激升力确定方法

权利要求书

1.一种尾流立管的时域涡激升力确定方法，其特征在于：建立的涡激升力时域模型如下：

FL=CLρD(U-u·)22(1-λ-q)cos(ω‾st+π)-12CDρDv·|v·|-π24ρDv··]]>

式中：FL--涡激升力；

C_L--升力系数；

C_D--拖曳力系数；

ρ--流体密度；

λ--上下游立管轴线之间的距离L与直径之比L/D；

D--尾流立管直径；

U--流速；

--尾流立管顺流向振动速度；

--尾流立管横流向振动速度；

--尾流立管涡旋泄放频率，其中，St为斯特罗哈数，为尾流立管顺流向振动速度；

t--时间；

--尾流立管横流向振动加速度；

q，b--由试验确定的系数；

针对尾流立管顺流向振动速度、横流向振动速度和加速度，采用迭代方法对上式进行计算，得到尾流立管的时域涡激升力。

2.如权利要求1所述的尾流立管的时域涡激升力确定方法，其特征在于：所述的采用迭代方法进行计算的具体步骤如下：

1)给定尾流立管顺流向振动速度、横流向振动速度和加速度及计算时间的初值：

t_j＝t₀＝0，u·j(i)=u·0(0)=0,]]>u··j(i)=u··0(0)=0,]]>v·j(i)=v·0(0)=0,]]>v··j(i)=v··0(0)=0]]>

式中：j--时间步数，计算开始时j＝0；

i--迭代次数，每个时间步开始时i＝0；

2)计算给定流速下的约化速度：

Vr=UfnD]]>

式中：V_r--约化速度；

U--流体流速；

f_n--尾流立管的固有频率；

D--尾流立管直径；

3)当V_r＜5或V_r＞7时，将t_j，代入下式计算第j时间步内第i次迭代的脉动拖曳力：

FDj(i)=CDρD(U-u·j(i))22(1-λ-p)cos(2ω‾stj+π)+]]>

12CDρD(U-u·j(i))|U-u·j(i)|-π24ρDu··j(i)]]>

当5≤V_r≤7时，将t_j，代入下式计算第j时间步内第i次迭代的脉动拖曳力：

FDj(i)=CDρD(U-u·j(i))22(1-λ-p)cos(2ω‾stj+π)+]]>

12CDρD(U-u·j(i))|U-u·j(i)|-π24ρDu··j(i)]]>

在以上两个公式中，

FD--脉动拖曳力；

C_D--拖曳力系数；

ρ--流体密度；

λ--上下游立管轴线之间的距离L与直径之比L/D；

D--尾流立管直径；

U--流体流速；

--尾流立管顺流向振动速度；

--考虑尾流干涉的涡旋泄放频率，其中，St为斯特罗哈数；

t--时间；

ü--深水立管顺流向振动加速度；

p，b--由试验确定的系数；

4)将步骤3)中计算得到的脉动拖曳力代入尾流立管的顺流向振动方程式：

mu··j(i+1)+cu·j(i+1)+kuj(i+1)=FDj(i)]]>

式中：m-尾流立管的质量；

c-尾流立管的阻尼系数；

k-尾流立管的弯曲刚度；

--第j时间步内第i+1次迭代的顺流向振动位移；

--第j时间步内第i+1次迭代的顺流向振动速度；

--第j时间步内第i+1次迭代的顺流向振动加速度；

计算第j时间步内第i+1次迭代的尾流立管顺流向振动的速度和加速度

5)如果ε为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：

u·j(i)=u·j(i+1),]]>u··j(i)=u··j(i+1)]]>

然后，重复步骤3)～5)的计算；

如果max{|u··j(i+1)-u··j(i)|,|u·j(i+1)-u·j(i)|}≤ϵ,]]>则令：

u·j(i)=u·j(n),]]>v·j(i)=v·j(0),]]>v··j(i)=v··j(0)]]>

n为第j时间步内计算脉动拖曳力的总迭代次数；

对于第1个时间步，即j＝0，否则，其中，m为第j-1时间步内计算涡激升力的总迭代次数；

6)将代入下式计算第j时间步内第i次迭代的涡激升力：

FLj(i)=CLρD(U-u·j(i))22(1-λ-q)cos(ω‾stj+π)-12CDρDv·j(i)|v·j(i)|-π24ρDv··j(i)]]>

7)将步骤6)中计算得到的涡激升力代入尾流立管的横流向涡激振动方程式：

mv··j(i+1)+cv·j(i+1)+kvj(i+1)=FLj(i)]]>

式中：m-尾流立管的质量；

c-尾流立管的阻尼系数；

k-尾流立管的弯曲刚度；

--第j时间步内第i+1次迭代的横流向振动位移；

--第j时间步内第i+1次迭代的横流向振动速度；

--第j时间步内第i+1次迭代的横流向振动加速度；

计算第j时间步内第i+1次迭代的尾流立管横流向振动速度和加速度

8)如果ε为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：

v·j(i)=v·j(i+1),]]>v··j(i)=v··j(i+1)]]>

然后，重复步骤6)～8)的计算；

如果则开始下一个时间步的计算，令：

t_j＝t_j+1＝t_j+Δt，v·j(i)=v·j+1(0)=v·j(m),]]>v··j(i)=v··j+1(0)=v··j(m)]]>

m为第j时间步内计算涡激升力的总迭代次数；

重复步骤3)～8)的计算，直至计算时长满足需要。