多井口海洋立管群流固耦合动力学行为研究.doc

多井口海洋立管群流固耦合动力学行为研究多井口海洋立管群是海上石油开采和输送的重要组成部分,对海上石油和天然气等生产运输过程起着非常关键的作用。然而由于其工作环境的复杂性和多变性,立管群的振动现象是难以避免的,这将导致立管发生疲劳失效,影响石油和天然气的开采工作,严重时将会导致海上漏油事故发生,严重影响生态环境。因此,多井口海洋立管群的振动和防控问题应该被受到重视。海洋立管的流致振动是导致海洋立管失效的一个重要原因。对管群类结构的流致振动来说,立管群与流体之间以及立管与立管之间存在着强烈的交互作用,需要构建更精确的物理模型和理论模型来分析结构和流体间的相互作用及立管群复杂的动态响应特性。本文针对均匀流中的立管群结构,首先基于双向流固耦合方法建立了多井口海洋立管群流致振动数值模型,对立管群结构和流体间的相互作用展开分析,研究立管群的动力学响应以及流场涡激发放特性,并对不同因素情况(不同立管数目、不同立管间距、不同排列方式)下海洋立管群动态特性进行研究。除此之外还对立管群的流弹失稳进行探讨,在此基础上对海洋立管群开展振动防控研究。具体研究结果发现:(1)当外流体流速较低且立管数目较少时各立管的主振方向为顺流方向且振动幅度基本一致;当顺流方向排布的管道增加时,其下游的立管在尾涡的作用下振动明显变大,且主振方向变为横向振动。(2)对于立管群不同立管间距的研究发现:无论在顺流方向还是横流方向上,当立管间距较小时,由于立管间交互作用以及流体弹性力对立管群的振动作用比较明显,而当立管群间立管间距大于3.5D的时候立管之间的交互逐渐减弱,其立管间的交互作用的临界立管间距为3.5D-4D之间。(3)对于海洋立管群不同位置排布的研究发现:对于立管间距固定各种排布情况下的立管群而言,在顺流方向的振动基本一致,均做频率相同、振幅相近的简谐振动,而横流方向的各立管振动模式有所不同,说明立管位置的因素对立管群的影响主要体现在立管的横向振动上。(4)海洋立管群流弹失稳研究发现:立管群失稳大多发生在上游立管和下游立管中,对于立管间距一定的立管群系统,无论哪种排列情况下其临界速度基本一致。(5)海洋立管群振动防控治理研究发现:提出了两种立管群振动治理方案,其中分隔板式的最佳隔板长度为1D,且安装在立管群系统的上游立管防振效果最好;整流罩式的最适宜整流罩高度为0.5D,适合安装于下游处的立管。