考虑变张力与内流耦合效应的立管涡激振动双向耦合模型研究

为解决海洋立管在复杂流场中涡激振动(VIV)预测难题，研究人员建立了考虑变张力、内流及双向(IL/CF)耦合的VIV模型，采用广义积分变换技术(GITT)求解非线性偏微分方程。结果表明，内流速度可稳定振动，剪切流主要影响IL方向响应，变张力改变位移峰值位置及振型。该研究为深海立管安全设计提供了重要理论依据。

　　

海洋油气开发中，立管系统作为连接海底设施与水面平台的关键部件，长期承受复杂海洋环境载荷。其中涡激振动(VIV)引发的结构疲劳是威胁安全的核心问题。传统研究多聚焦单自由度振动，忽略双向(IL/CF)耦合、变张力及内流的多物理场耦合效应，导致预测精度不足。特别是深海立管在内部流体输送与外部洋流共同作用下，其动力学行为呈现高度非线性特征，亟需建立更精确的耦合振动模型。

中国石油大学(北京)海洋工程研究院的研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表创新成果，通过建立双向耦合的变张力立管VIV模型，结合广义积分变换技术(GITT)，系统揭示了多因素耦合作用下的振动机理。研究采用非线性van der Pol尾流振荡器模拟流体力，构建包含内流离心力、科氏力的运动方程，并首次将GITT应用于该耦合系统的求解，实现了高效精确的数值模拟。

关键技术包括：(1)双向耦合振动建模技术，同时考虑顺流向(IL)和横向(CF)振动；(2)变张力动态表征方法，引入轴向应变非线性项；(3)GITT降维技术，将偏微分方程转化为常微分方程组；(4)流体-结构耦合算法，通过尾流振荡器实现双向力反馈。

数学模型构建
研究将立管简化为Euler-Bernoulli梁，建立包含变张力项T(z,t)的双向运动方程。创新性地在流体力项中引入内流速度U_i的离心力和科氏力效应，并通过van der Pol方程模拟尾流振荡。关键突破在于采用GITT将非线性偏微分方程转化为模态空间方程，通过特征函数展开实现高效求解。

变张力效应分析
通过对比恒定张力、空间变化张力及时变张力模型，发现变张力会显著改变IL方向平均位移峰值位置。当顶部张力系数K增加15%时，高阶振动模态能量占比降低22%，表明变张力对振型分布具有调控作用。

内流-外流耦合机制
研究首次量化了内流速度U_i对双向VIV的影响规律。当U_i超过临界值(约2.5m/s)时，CF方向振动幅值降低37%，而IL方向出现低频大幅振动。这表明适当增大内流速度可抑制CF振动但需警惕IL方向失稳风险。

剪切流响应特性
相比均匀流，线性剪切流使IL方向振动能量分布拓宽41%。特别在0.6L-0.8L区段出现二次谐波共振，这与剪切流导致的局部涡脱频率变化直接相关。

该研究建立的耦合模型预测精度较传统方法提高28%，首次揭示了内流速度与变张力的协同调控机制。提出的GITT求解框架为复杂海洋环境下的流固耦合问题提供了新思路，相关成果已应用于南海深水立管设计中，使疲劳寿命预测误差控制在15%以内。研究不仅完善了VIV理论体系，更为深海资源开发装备的安全评估提供了关键技术支撑。