一种尾流立管的脉动拖曳力确定方法

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。

主权项

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$\mathrm{FD}=\frac{C_D\mathrm{\rho D}{(U-\stackrel{·}{u})}^2}{2(1-{\lambda }^{-p})}\cos ({\bar{\omega }}_{s}t+\pi )+\frac{1}{2}{C}_D\mathrm{\rho D}(U-\stackrel{·}{u})|U-\stackrel{·}{u}|-\frac{{\pi }^2}{4}\mathrm{\rho D}\stackrel{··}{u}$b)涡旋泄放锁定区$\mathrm{FD}=\frac{C_D\mathrm{\rho D}{(U-\stackrel{·}{u})}^2}{2(1-{\lambda }^{-p})}\cos (2{\bar{\omega }}_{s}t+\pi )+\frac{1}{2}{C}_D\mathrm{\rho D}(U-\stackrel{·}{u})|U-\stackrel{·}{u}|-\frac{{\pi }^2}{4}\mathrm{\rho D}\stackrel{··}{u}$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；--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，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：$t_j=t_0=0,{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)}={\stackrel{·}{u}}_0^{\left(0\right)}=0,{\stackrel{··}{u}}_j^{\left(i\right)}={\stackrel{··}{u}}_0^{\left(0\right)}=0$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：$V_r=\frac{U}{f_{n}D}$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：${\mathrm{FD}}_j^{\left(i\right)}=\frac{C_D\mathrm{\rho D}{(U-{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)})}^2}{2(1-{\lambda }^{-p})}\cos ({\bar{\omega }}_s{t}_j+\pi )+\frac{1}{2}{C}_D\mathrm{\rho D}(U-{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)})|U-{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)}|-\frac{{\pi }^2}{4}\mathrm{\rho D}{\stackrel{··}{u}}_j^{\left(i\right)}$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：${\mathrm{FD}}_j^{\left(i\right)}=\frac{C_D\mathrm{\rho D}{(U-{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)})}^2}{2(1-{\lambda }^{-p})}\cos (2{\bar{\omega }}_s{t}_j+\pi )+\frac{1}{2}{C}_D\mathrm{\rho D}(U-{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)})|U-{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)}|-\frac{{\pi }^2}{4}\mathrm{\rho D}{\stackrel{··}{u}}_j^{\left(i\right)}$4)将步骤3)中计算得到的脉动拖曳力代入立管的振动方程式：$m{\stackrel{··}{u}}_j^{(i+1)}+c{\stackrel{·}{u}}_j^{(i+1)}+{\mathrm{ku}}_j^{(i+1)}={\mathrm{FD}}_j^{\left(i\right)}$式中：m--尾流立管的质量；c--尾流立管的阻尼系数；k--尾流立管的弯曲刚度；--第j时间步内第i+1次迭代的顺流向振动位移；--第j时间步内第i+1次迭代的顺流向振动速度；--第j时间步内第i+1次迭代的顺流向振动加速度；计算第j时间步内第i+1次迭代的尾流立管顺流向振动的速度和加速度5)如果ε为预先设定的计算精度，则继续进行迭代计算，令：${\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)}={\stackrel{·}{u}}_j^{(i+1)},{\stackrel{··}{u}}_j^{\left(i\right)}={\stackrel{··}{u}}_j^{(i+1)}$然后，重复步骤3)～5)的计算；如果则开始下一个时间步的计算，令：$t_j=t_{j+1}=t_j+\mathrm{\Delta t},{\stackrel{·}{u}}_j^{\left(i\right)}={\stackrel{·}{u}}_{j+1}^{\left(0\right)}={\stackrel{·}{u}}_j^{\left(n\right)},{\stackrel{··}{u}}_j^{\left(i\right)}={\stackrel{··}{u}}_{j+i}^{\left(0\right)}={\stackrel{··}{u}}_j^{\left(n\right)}$n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。