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专利名称：一种尾流立管的脉动拖曳力确定方法
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脉动拖曳力确定方法。
背景技术：
脉动拖曳力是圆柱体受到的流体流动方向上的一种交变流体荷载，由于流体的流速是恒定的，因此，脉动拖曳力是圆柱体尾流处的涡旋泄放引起的。对于弹性圆柱体而言， 脉动拖曳力将使圆柱体产生沿着流体流动方向的振动。而对于刚性圆柱体，脉动拖曳力并不引起圆柱体振动。这就是说，不论圆柱体是否振动，脉动拖曳力始终是存在的。
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，尾流立管的顺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，其中下方的曲线为尾流立管的脉动拖曳力时程，虚线是单根立管的脉动拖曳力时程，中间的曲线是上游立管的脉动拖曳力时程。从图中可以明显地看出，尾流立管的脉动拖曳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顺流向振动，从而引起较大的疲劳损伤。但是，现有技术尚没有尾流立管脉动拖曳力的计算方法。因此，现行的立管涡激振动与疲劳设计不考虑立管的顺流向振动，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脉动拖曳力确定方法，为尾流立管的顺流向涡激振动与疲劳设计分析提供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脉动拖曳力确定方法，分为非涡旋泄放锁定区和涡旋泄放锁定区，建立的脉动拖曳力时域模型如下
a)非涡旋泄放锁定区
FD = Cd《(:;;) cos(电/ + + jCDpD(υ- )\υ- \-^-pDii
b)涡旋泄放锁定区
FD = CoPHU-u) cos(2办 + 冗)+ 丄CdPD(U-u)\U- \~ — pDii2 (1 — ^7124
式中，FD--脉动拖曳力；
CD—拖曳力系数；
P —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，
权利要求
1.一种尾流立管的时域脉动拖曳力确定方法，其特征在于分为非涡旋泄放锁定区和涡旋泄放锁定区，建立的脉动拖曳力时域模型如下a)非涡旋泄放锁定区CnpD{U- )2 , 、1, π2FD=cos((5st + n) + ~CDpD{U- )\υ- \-—ρΒ b)涡旋泄放锁定区FD=^s{2cost + K) + -CDpD{U~u)\U-u\^pDu式中，FD-脉动拖曳力； Cd-拖曳力系数； P —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；—ΙπΞ υ- )_ 一考虑尾流干涉的涡旋泄放频率，黾二，其中，St为斯特罗哈数；t—时间；U-尾流立管顺流向振动加速度； P，b-由试验确定的系数；针对尾流立管顺流向振动速度和加速度，采用迭代方法对以上公式进行计算，分别得到非涡旋泄放锁定区和涡旋泄放锁定区的脉动拖曳力。
2.如权利要求1所述的尾流立管的脉动拖曳力确定方法，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和加速度及计算时间的初值 tj = t0 = 0，2 0 =《)=0, ') = iC = 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LD式中乂--约化速度； U-流体流速； fn-尾流立管的固有频率； D-尾流立管直径；3)当t< 5或t > 7时，将、，^^，《>代入下式计算第j时间步内第i次迭代的脉动拖曳力当5彡K 7时，将、，《 《)代入下式计算第j时间步内第i次迭代的脉动拖曳力=COS(2办去明—令4)将步骤幻中计算得到的脉动拖曳力FDy)代入立管的振动方程式 mii(;+]}+CUiI+^ +Jmi;^ =FD(p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；<+1) —第j时间步内第i+Ι次迭代的顺流向振动位移； 《+〗)一第j时间步内第i+Ι次迭代的顺流向振动速度；第j时间步内第i+ι次迭代的顺流向振动加速度； 计算第j时间步内第i+ι次迭代的尾流立管顺流向振动的速度和加速度《+|);5)如果maX^//+”_i/y)|,|劣+D-yfsc,ε为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令然后，重复步骤幻 幻的计算；如果max{|<+n HK+” -zifl} < ε，则开始下一个时间步的计算，令= tj+1 = VM，"f η为第j时间步的总迭代次数； 重复步骤3) 5)的计算，直至计算时长满足需要。
全文摘要
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脉动拖曳力确定方法。该方法考虑了上游立管涡街对尾流立管脉动拖曳力幅值和尾流立管涡旋脱落频率的影响，并采用迭代方法计算时域的脉动拖曳力，从而建立了一个尾流立管的流固耦合时域脉动拖曳力计算方法，解决了尾流立管脉动拖曳力的计算问题，为尾流立管的顺流向涡激振动与疲劳设计分析提供了时域分析的途径和依据。
文档编号G01M7/02GK102507083SQ20111029137
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者李倩, 杨超凡, 黄维平 申请人:中国海洋大学