内流-尾流耦合作用下串联立管动态响应特性的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study on dynamic response of tandem risers under internal flow-interference coupling

本文针对海洋工程中串联立管系统在内流效应(IFE)与尾流干扰耦合作用下的流致振动(FIV)问题，通过实验研究了不同间距比(S/D)和内流速度(V)对上游立管(UR)和下游立管(DR)动态响应的影响。研究引入了“内流效率”、“位移干扰效率”和“综合位移影响率”等量化参数，揭示了内流效应通过调制尾流结构控制下游立管振动的机理，阐明了内-外流与干扰耦合的非线性特性，为深海立管群的设计与安全评估提供了重要理论依据。

　　

在深海油气资源开发中，海洋立管作为连接海底井口与水面平台的关键部件，承担着输送油气的重任。然而，在复杂的海洋环境中，立管不仅受到波浪、海流等外部载荷的作用，还面临着内部流体动力学（内流效应）以及立管群之间干扰效应的挑战。特别是当多个立管以串联方式布置时，上游立管产生的尾流会显著改变下游立管的流场环境，引发更为复杂的流固耦合现象。传统研究多集中于孤立立管的内流效应或立管群的尾流干扰，而对于内流效应与尾流干扰耦合作用下串联立管动态响应机制的认识仍不清晰，这制约了深海立管系统安全性评估精度的提升。

为了深入探索串联立管系统中内流效应的新特性及其与尾流干扰的耦合机制，研究人员在《Ocean Engineering》上发表了一项实验研究成果。该研究通过设计专门的实验系统，对同时承受内-外流作用的串联立管流致振动特性进行了系统分析。

研究团队采用了多学科交叉的实验技术方法，主要包括：利用光纤布拉格光栅(FBG)传感技术对立管应变进行高精度测量，在立管表面对称布置24个测点实时监测顺流向(CF)和横流向(IL)的振动响应；建立内部流动控制系统，通过涡轮流量计精确调控和测量内部流速；采用模态分析方法对采集的应变数据进行二次处理，提取结构位移响应并识别模态参数；通过专门设计的波-流联合水槽（长×宽×深：30.0m×1.2m×1.0m）模拟实际海洋环境条件。

3.1.1 动态响应分析

通过分析不同间距比下串联立管的振动特性，研究发现上游立管(UR)的振动响应主要受内流效应支配，而下游立管(DR)的动态特性则主要由尾流干扰效应控制。在顺流向(CF)，当间距比(S/D)为6和8时，UR的振动频率比在外部流速(U)超过0.2m/s时在1附近振荡，而DR则表现出更大的随机性。在横流向(IL)，UR的频率响应呈现不规则变化，表明下游立管的反馈作用是结构响应的主要驱动因素。

3.1.2 干扰效应量化

通过引入“位移干扰效率(η)”量化参数，研究发现DR的位移干扰效率在CF方向最大达到1094.56%，明显高于IL方向。位移干扰效率整体呈现先减小后增大再减小的趋势，最终收敛于0，表明尾流干扰效应随着外部流速的增加对DR产生更大影响。

3.2.1 频率分析

在内流效应作用下，UR的归一化主导频率比随着内流速度(V)的增加而系统性减小。在CF方向，频率响应分为低阶主导模态区（蓝色阴影区）和高阶主导模态区（红色阴影区）。在高阶主导模态区，串联布置的UR持续增加到约3，而V=0时仅维持在1.5左右，表明内流效应通过增加立管的有效张力，更容易激发高阶主导频率。

3.2.2 位移分析

位移分析表明，内流效应与尾流干扰的耦合作用导致UR的位移均方根值出现更复杂的波动。在CF方向，当S/D为6和8时，“锁定”区间变宽，且速度-位移曲线中的“双峰”现象更为显著。时空演化分析显示，在低外部流速(0.2m/s)时，立管振动呈现明显的驻波响应特性；而在高流速(0.5m/s)时，则转变为行波特性，并伴随明显的“Y”形轴向分布。

3.2.3 模态分析

模态权重分析揭示，由于内流效应的参与，UR的模态权重发生改变，偏离了孤立立管的模态响应。在S/D=10时，UR在区域II发生模态转换，主导模态从一阶变为二阶，同时三阶模态也在增加。内流引起的结构刚度降低使得高阶模态发展成为可能。

3.2.4 内流-干扰综合效应量化

通过引入“内流效率(φ)”和“综合位移影响率(γ)”量化参数，研究发现UR的综合位移影响率曲线与位移干扰效率和内流效率曲线紧密聚集，表明其位移是内流效应和DR尾流反馈共同作用的结果。而DR的综合位移影响率更接近位移干扰效率，证实尾流干扰是DR振动的主要决定因素。

研究结论表明，内流效应在串联立管系统中不仅降低了立管振动的固有频率，更重要的是通过影响UR的振动来调制尾流场的结构和稳定性，从而控制DR的动态响应。内流效应的参与延迟了DR在CF方向的尾流诱导振动(WIV)并缩短了响应区间，同时在IL方向增强了DR的WIV响应，延迟了模态竞争区间。串联立管在内-外流与尾流干扰耦合作用下产生独特的振动特性，UR主要受内流效应影响，而DR则主要受干扰效应支配。综合位移影响率的变化揭示了尾流干扰与内流效应的非线性耦合特性，表明其不能简单表示为内流效应和干扰效应的线性叠加。

这项研究的重要意义在于首次通过实验量化了内流效应与尾流干扰的耦合机制，建立了内-外流与干扰耦合的力学模型，为深海立管群的优化设计和安全运行提供了重要的理论支撑。研究成果对理解复杂海洋环境下立管系统的流固耦合现象具有重要科学价值，同时对预防立管疲劳破坏、降低碰撞风险具有实际工程指导意义。