[发明专利]一种尾流立管的时域涡激升力确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究方法，具体涉及一种尾流立管的时域涡激升力确定方法。

背景技术

涡激升力是圆柱体受到的垂直于流体流动方向的一种交变流体荷载，是由圆柱体尾流处的涡旋泄放引起的。对于弹性圆柱体而言，涡激升力将使圆柱体产生垂直于流体流动方向的振动。而对于刚性圆柱体，涡激升力并不引起圆柱体振动。这就是说，不论圆柱体是否振动，涡激升力始终是存在的。

涡激升力的交变频率等于涡旋泄放的频率，而涡旋泄放的频率取决于流体流经圆柱体的速度大小，涡激升力的大小取决于流体流经圆柱体的速度。因此，对于刚性圆柱体来说，涡激升力的大小和频率仅仅与流体的流动速度有关。而对于弹性圆柱体，由于圆柱体本身的振动，不仅使得流体流经圆柱体的速度发生变化，而且使得流体在圆柱体的扰动下产生粘性阻力和附加质量力。因此，对于弹性圆柱体的涡激升力计算不能仅仅考虑流场的流速一个因素(传统涡激升力计算方法的缺点)，而应考虑圆柱体振动的速度和加速度。

对于顺流向排列的两根立管，从上游立管脱落的涡旋在尾流处形成涡街，从而对尾流立管产生干扰。同时，尾流立管自身的涡旋泄放也受到上游立管涡街的影响而改变其频率和强度。因此，尾流立管的横流向涡激振动强度远远大于孤立的单根立管。这个现象已被国内外的专家学者注意到，并开展了相应的研究。图1是本发明发明人的研究结果，其中幅度大的曲线为尾流立管的涡激升力时程，虚线是单根立管的涡激升力时程，幅度小的曲线是上游立管的涡激升力时程。从图中可以明显地看出，尾流立管的涡激升力远远大于单个孤独立管和上游立管。这将使尾流立管产生大幅度的横流向振动，从而引起较大的疲劳损伤。但是，现有技术尚没有尾流立管涡激升力的计算方法。现行的立管涡激振动与疲劳设计均采用单根立管的涡激升力计算方法，因此，计算结果偏于不安全。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种尾流立管的时域涡激升力确定方法，为尾流立管的涡激振动与疲劳设计分析提供了时域分析的途径和依据。

本发明的技术方案如下：一种尾流立管的时域涡激升力确定方法，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；