管中管辅助管道系统流致振动特性的数值研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Numerical Investigation on Flow-Induced Vibration Characteristics of Pipe-in-Pipe Auxiliary Pipe System

　　

一种带有浮力阻尼层（buoyancy damping layer）的管中管（pipe-in-pipe, PIP）结构被设计用于降低管道重量并抑制涡激振动（vortex-induced vibration, VIV）。该结构避免了外置浮筒带来的结构预应力问题，并缓解严重局部振动。研究人员建立了新型管中管系统的四自由度运动方程，并编制了相应数值程序。研究人员开展了双向流固耦合（fluid–structure interaction, FSI）仿真，以验证所提结构的减振性能。辅助外管改变周围流场特征，产生不同水动力并改变结构振动行为。大量仿真数据表明，管中管结构的浮力阻尼层可适应不同特征的水动力，并获得良好的宽频振动抑制与能量吸收效果。在所有布置参数下，内阻尼层对圆柱-辅助管道系统的横流向振动均具有突出抑制效果。管中管-辅助管道系统的顺流向振动幅值始终小于0.08D，可忽略不计；其振动频率接近横流向频率，且仅为单层管道的一半。内阻尼层还影响管道系统与外部流场之间的流固耦合，导致涡量场发生变化。

研究背景方面，海洋细长结构长期受涡激振动（vortex-induced vibration, VIV）作用，疲劳损伤风险高。主动控制需额外能量与控制系统，深潜设施应用受限；被动装置如螺旋列板（helical strakes）和导流罩（fairings）虽无能耗，但螺旋列板增大特征直径并放大水动力与弯曲变形，导流罩对来流敏感且易生物污损，一旦超出设计来流易发生驰振。超深水海洋隔水管常外贴浮力模块以降低湿重，但浮力模块质量比低、直径比大，会使顺流向与横流向VIV增强，并在质量比低于0.6时出现无限锁振区；同时外置浮力模块占用空间，使辅助管道与外置抑振装置难以布置。研究人员提出由外刚性管、弹性阻尼层与内部浮力层构成的管中管（pipe-in-pipe, PIP）结构：内浮力层提供浮力补偿，弹性阻尼层连接外管与内浮力层并耗散流致振动能量，从而在减重的同时抑制振动，并为其他附属设施预留外部空间。

该研究发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。研究人员建立外管、内浮力层通过弹性阻尼层耦合的四自由度嵌套双圆柱模型，以三个均匀布置的辅助管道（auxiliary pipe, AP）为扰动源，以攻角α与间隙比G/D为布置变量，共55个FSI工况，系统分析PIP-AP系统的水动力系数、振动位移、轨迹、频率与尾流模态。

主要关键技术方法上，研究人员采用二维不可压黏性流体Navier–Stokes方程描述流场，有限体积法离散、全隐式时间格式，SIMPLEC算法处理压力速度耦合；结构端将PIP系统视为质量-弹簧-阻尼系统，编写用户自定义函数（user-defined function, UDF）嵌入四阶Runge–Kutta法求解运动方程；通过动态网格（dynamic mesh）与DEFINE_CG_MOTION宏更新边界，时间步0.005 s；以Re=150单圆柱VIV校核网格与时间步无关性，并对比文献验证模型可靠性。

1. 3.
   Governing Equations and Numerical Method
   研究人员给出外流场控制方程与四自由度运动方程，定义质量比、附加质量系数C_add=1、位移与力系数及约化速度V_r；通过UDF实现流体求解、界面水动力提取、结构响应计算、网格更新闭环；选取M3网格、Δt=0.005 s为基准，单圆柱锁振区V_r=3–8与文献吻合，证明数值模型可靠。
2. 4.
   Numerical Results and Discussion
   4.1. Characteristics of Fluid Coefficients and Vibration Displacement
   研究人员由水动力系数与无量纲位移随α、G/D变化得出：平均阻力系数与平均顺流向位移随α升高而降；PIP-AP的RMS阻力低于单圆柱；α=45°时G/D=0.7–1.4为最佳抑制区，横流向振幅抑制率高于90%，G/D=0.9–1.1超99%；α=60°仍优于螺旋列板。所有工况横流向振幅均低于裸单管。

4.2. Vibration Trajectories

研究人员由位移轨迹得出：α=0°呈非对称或对称“8”形，小间隙出现f_x≈f_y与f_x=2f_y双频；α=15°–30°因布置不对称呈倒水滴形；α=45°多为椭圆，G/D=1.5为倒水滴；α=60°小间隙不规则，G/D=0.7时f_x=f_y，大间隙恢复f_x=2f_y的“8”形。

4.3. Vibration Frequencies

研究人员由频谱与时程得出：单圆柱f_x=2f_y，PIP-AP主导频多为低频f_x≈f_y，高频2f_y仅作次频；弹性阻尼层使主导频率降至单管一半，从而抑制VIV。

4.4. Identification of Wake Mode

研究人员由涡量场得出：PIP内层耗散能量并改变尾流拓扑；α=45°最佳抑制区由P-AP的G/D=0.6–1.2扩至0.7–1.4；PIP-AP可触发长尾流模态（long wake mode），剪切层波动小、脱涡点远离壁面，作为抑振判别特征。

讨论部分总结：研究人员指出内浮力-阻尼层在变水动力下具宽频抑振与能量吸收能力；顺流向幅值虽随布置变化但小于0.08D；内阻尼层改变FSI与涡量场；长尾流模态可作抑振装置评价准则；α>45°且间隙合理时抑制率超99%，优于螺旋列板与导流罩，且内置层抗海洋环境扰动、鲁棒性强；研究限于二维FSI，后续需三维波流耦合与多Re范围拓展。

结论部分翻译如下：

（1）提出带浮力-阻尼层的管道，系统总质量比1.15，可降低结构总重并消除常规管道构型缺陷。

（2）内浮力-阻尼层可有效抑制管-辅管系统VIV；所有布置下横流向幅值小于裸单管，顺流向幅值最大仍小于0.08D，满足减振要求。

（3）弹性阻尼层使PIP-AP顺流向主导频率通常低于单管，且仅为单管一半，常呈低频主导、高频次频的双频特征。

（4）长尾流模态为最佳抑制区特征，脱涡点远离柱面；尾流形态变化可作为抑振性能直观判据。

（5）PIP-AP在α>45°合理间隙下抑制率超99%，近完全消除VIV，优于strakes与fairings，内置层对环境扰动不敏感、鲁棒性更好，适于钻井隔水管。

（6）本研究采用二维FSI模型，未来将建三维模型分析不同Re与波-流耦合下的涡演化与抑振行为。