主权项 |
一种海底多跨管道涡激振动的预报方法,其特征是,该方法包括以下步骤:(1)建立如下管道结构和外界流场的流‑固耦合作用模型:<maths num="0001" id="cmaths0001"><math><![CDATA[<mfenced open = "{" close = ""><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math><img file="FDA0000818643760000011.GIF" wi="478" he="278" /></maths><maths num="0002" id="cmaths0002"><math><![CDATA[<mfenced open = "{" close = ""><mtable><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>c</mi><mi>m</mi></mfrac><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>ρDV</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>C</mi><mrow><mi>L</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>m</mi></mrow></mfrac><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϵω</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>l</mi></msubsup><msubsup><mi>φ</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>l</mi></msubsup><mrow><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>d</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>]</mo></mrow><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><munderover><mo>Σ</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>d</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mo>+</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>s</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>d</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>A</mi><mi>D</mi></mfrac><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math><img file="FDA0000818643760000012.GIF" wi="1730" he="303" /></maths>式中:x—管道轴向位移;t—时间;y(x,t)—在x位置t时刻管道横向振动位移;q(x,t)—在x位置t时刻无量纲涡激升力系数;φ<sub>i</sub>(x)—管道结构第i阶模态,在工程应用中可取前n阶模态;p<sub>i</sub>(t)—t时刻第i阶模态对应的管道广义坐标;d<sub>i</sub>(t)—t时刻第i阶模态对应的无量纲涡激升力广义坐标;m—质量项,包括管道结构质量,管内流体质量和管外流场附加质量m<sub>a</sub>,m<sub>a</sub>=C<sub>a</sub>πρD<sup>2</sup>/4,C<sub>a</sub>为附加质量系数;ρ—外界流体密度或海水密度;D—管道直径;c—阻尼项,包括结构阻尼c<sub>s</sub>和水动力阻尼c<sub>w</sub>,结构阻尼c<sub>s</sub>=2mω<sub>n</sub>ζ,ζ为结构阻尼比,水动力阻尼c<sub>w</sub>=C<sub>D</sub>ρDV/2,C<sub>D</sub>为拖曳力系数;ω<sub>i</sub>—管道第i阶固有圆频率;V—外界来流速度;C<sub>L0</sub>—管道静止时的涡激升力系数;ε—尾流振子模型参数;A—尾流振子模型参数;ω<sub>s</sub>—漩涡脱落频率,ω<sub>s</sub>=2πStV/D,St为斯特罗哈数;l—海底多跨管道总长度;(2)确定模态和尾流振子模型参数:1)将海底管道简化为欧拉‑伯努利梁模型,根据管道一般边界约束条件对结构固有模态进行确定:A.管道结构的固有模态:φ(x)=c<sub>1</sub>cos(s<sub>1</sub>x)+c<sub>2</sub>sin(s<sub>1</sub>x)+c<sub>3</sub>cosh(s<sub>2</sub>x)+c<sub>4</sub>sinh(s<sub>2</sub>x)式中:<maths num="0003" id="cmaths0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>λ</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>g</mi><mn>4</mn></msup><mn>4</mn></mfrac></mrow></msqrt><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mn>2</mn></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>λ</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>g</mi><mn>4</mn></msup><mn>4</mn></mfrac></mrow></msqrt><mo>-</mo><mfrac><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mn>2</mn></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><msup><mi>λ</mi><mn>4</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>mω</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mi>g</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac><mi>T</mi><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0000818643760000021.GIF" wi="1454" he="167" /></maths>EI—管道结构的弯曲刚度;T—管道结构受到的轴向拉力;B.海底多跨管道每一跨取一固有模态,其系数c<sub>1j</sub>、c<sub>2j</sub>、c<sub>3j</sub>和c<sub>4j</sub>需根据约束条件确定,其中j表示第j跨,j=1、2、3…;管道最左端约束条件:<maths num="0004" id="cmaths0004"><math><![CDATA[<mfenced open = "{" close = ""><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>r</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>3</mn></msup><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>-</mo><mi>T</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><msub><mi>k</mi><mi>t</mi></msub><mi>y</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math><img file="FDA0000818643760000022.GIF" wi="477" he="270" /></maths>式中:k<sub>r</sub>—扭转弹簧系数;k<sub>t</sub>—拉伸弹簧系数;管道中间连续约束条件:<maths num="0005" id="cmaths0005"><math><![CDATA[<mfenced open = "{" close = ""><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>y</mi><mo>-</mo></msub><mo>=</mo><msub><mi>y</mi><mo>+</mo></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>y</mi><mo>-</mo></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>y</mi><mo>+</mo></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>y</mi><mo>-</mo></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>y</mi><mo>+</mo></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>-</mo><msub><mi>k</mi><mi>r</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>3</mn></msup><msub><mi>y</mi><mo>-</mo></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>3</mn></msup><msub><mi>y</mi><mo>+</mo></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mi>t</mi></msub><mi>y</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math><img file="FDA0000818643760000023.GIF" wi="597" he="453" /></maths>式中:y<sub>‑</sub>—连接点左侧位移;y<sub>+</sub>—连接点右侧位移;管道最右端约束条件:<maths num="0006" id="cmaths0006"><math><![CDATA[<mfenced open = "{" close = ""><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>r</mi></msub><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>E</mi><mi>I</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>3</mn></msup><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>-</mo><mi>T</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>t</mi></msub><mi>y</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math><img file="FDA0000818643760000031.GIF" wi="445" he="269" /></maths>根据管道的约束条件得到关于c<sub>1j</sub>、c<sub>2j</sub>、c<sub>3j</sub>和c<sub>4j</sub>(j=1、2、3…)的方程组,求解此方程组系数的秩等于零的超越方程,可得到管道结构固有频率,将固有频率回代到方程组中,求得模态系数c<sub>1j</sub>、c<sub>2j</sub>、c<sub>3j</sub>和c<sub>4j</sub>(j=1、2、3…),进而可以得到海底多跨管道的各阶模态和固有频率;2)根据试验数据对尾流振子模型中的参数ε和A进行标定:当Vr>5,A=10,当0≤Vr<5,A=4;式中:Vr—约化速度,<img file="FDA0000818643760000032.GIF" wi="237" he="131" />参数ε和A满足关系式:<maths num="0007" id="cmaths0007"><math><![CDATA[<mrow><mfrac><msub><mi>C</mi><mrow><mi>L</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>S</mi><mi>G</mi></msub><mo>+</mo><msup><mi>π</mi><mn>3</mn></msup><msup><mi>St</mi><mn>2</mn></msup><mi>γ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mi>A</mi><mi>ϵ</mi></mfrac><mfrac><msub><mi>C</mi><mrow><mi>L</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mrow><mn>4</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>S</mi><mi>G</mi></msub><mo>+</mo><msup><mi>π</mi><mn>3</mn></msup><msup><mi>St</mi><mn>2</mn></msup><mi>γ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>1.12</mn><msup><mi>e</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1.05</mn><msub><mi>S</mi><mi>G</mi></msub></mrow></msup></mrow>]]></math><img file="FDA0000818643760000033.GIF" wi="925" he="150" /></maths>式中:<maths num="0008" id="cmaths0008"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>S</mi><mi>G</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>St</mi><mn>2</mn></msup><mi>m</mi><mi>ζ</mi></mrow><mrow><msup><mi>ρD</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>C</mi><mi>D</mi></msub><mrow><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mi>S</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0000818643760000034.GIF" wi="606" he="142" /></maths> |