剪切流与内流耦合作用下柔性立管涡激振动响应的数值模拟研究

为解决海洋柔性立管在复杂流场环境下的涡激振动(VIV)安全问题，研究人员采用StarCCM+平台结合动态网格技术，建立了外剪切流与内气液两相流耦合的双向流固耦合(FSI)模型。通过LES湍流模型和三维N-S方程求解，揭示了内流速度、密度及两相相互作用对立管振动模态的影响规律，为深海油气开发中立管疲劳寿命预测提供了关键技术支撑。

　　

海洋蕴藏着丰富的石油资源，但深海立管系统在洋流作用下产生的涡激振动(VIV)问题一直是制约油气开发的关键瓶颈。当漩涡脱落频率接近立管固有频率时，会引发"锁频"(Lock-in)现象，导致大幅振动并加速结构疲劳。现有研究多聚焦均匀流场，而实际海洋环境多为非均匀剪切流，且立管内部输送的油气常呈气液两相流状态，这种内外流场的复杂耦合效应尚未充分揭示。

中国某研究机构团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过StarCCM+平台集成动态网格技术和双向流固耦合(FSI)方法，构建了外剪切流与内气液两相流耦合的三维数值模型。采用大涡模拟(LES)求解N-S方程，以Zhang等(2009)的UPVC立管实验数据验证模型准确性，系统分析了不同内流速度(0.3-1 m/s)和剪切流条件下立管的振动响应特性。

LES湍流模型
通过空间滤波将湍流分解为大尺度可解项和小尺度亚网格项，采用Smagorinsky-Lilly模型封闭方程，在保证计算精度的同时控制成本。

数值模拟验证
基于UPVC立管材料参数（弹性模量3.5 GPa，密度1420 kg/m³）建立模型，CFD结果与实验数据的振幅比RMS A_z/D误差小于15%，验证了模型可靠性。

主导模态响应分析
当折算速度3≤U_r^m<3.7时，立管振动以一阶模态为主；4≤U_r^m≤5时二阶模态占优。内流速度增至1 m/s会使振动能量向高阶模态转移，气液两相流中气泡聚集会引发局部模态跳跃。

结论与意义
研究首次实现了外剪切流与内气液两相流的全耦合模拟，发现内流密度变化会通过改变附加质量比影响锁频区间，而两相流态转变可诱发多模态竞争。该成果为深海立管设计提供了考虑复杂流场耦合效应的VIV预测方法，对保障海洋油气基础设施安全具有重要工程价值。Zhan-Long Chen等学者特别指出，未来需进一步研究内流相变过程对振动频谱的调制机制。