非定常流作用下海底悬跨管道的涡激振动：顺流向与横流向耦合特性的实验研究

《Frontiers in Marine Science》：Vortex-induced vibrations of submerged pipelines under unsteady flow: an experimental investigation of in-line and cross-flow coupling

　　

水下管道是跨越近海海床和河流的油气输送关键基础设施。在洪水和风暴潮等极端事件期间，非定常水动力荷载日益威胁其结构完整性，其中管道振动与海床冲刷以复杂耦合方式相互作用，可导致灾难性疲劳失效和海洋污染。尽管涡激振动（vortex-induced vibration, VIV）已在定常流条件下得到广泛研究，但非定常流及伴随冲刷条件下悬跨管道的顺流向（in-line, IL）与横流向（cross-flow, CF）耦合VIV机制仍鲜有报道。本研究针对可侵蚀床面上受非定常流作用的悬跨管道，开展了IL–CF耦合行为的实验研究，流量范围为12.3~12.68 L/s，初始间隙比e0/D分别为0.8、1.0和1.2。研究人员采用模态分析方法从实测应变数据中提取位移响应，进而分析振动频率、振幅、运动轨迹和频率比。结果表明，冲刷深度受来流流量、管径和间隙比共同控制，其中间隙比通过从较小e0/D时的自限制冲刷 regime 向较大e0/D时的持续冲刷 regime 的转变而成为主导控制参数。研究识别出一种选择性放大机制：当e0/D从1.0增大至1.2时，CF振幅增大76%，而IL振幅仅增大8%，表明IL与CF响应发生部分解耦。当e0/D>1.0时，IL与CF频率比锁定在约2.0，表征稳定的对称涡脱落模式和强耦合 regime，而在e0/D=0.8时频率比在1.0~2.0之间不规则散乱分布。运动轨迹相应地从近圆形演变为CF方向拉长的椭圆形。这些发现表明，存在一个临界区间e0/D≈0.8–1.0，将河床约束的弱耦合 regime 与自由脱落的强耦合 regime 区分开来，其中e0/D≈0.8标志着规则涡脱落的起始，e0/D≈1.0标志着强耦合状态的完全建立，尽管仍需更精细的试验来确定该过渡带的精确边界。

**非定常流作用下水下悬跨管道涡激振动的顺流向与横流向耦合特性：实验研究解读**

**1. 研究背景与科学问题**

水下管道是跨海床和河流油气输送的关键基础设施。随着管道服役年限增加，水流的持续冲刷导致保护土层逐渐变薄，管道出现悬空失稳，极易引发破裂泄漏事故。已有研究表明，在中国油气管道事故统计中，悬空失稳是导致爆炸和泄漏的重要原因。当水流雷诺数达到或超过临界值（Re≥60）时，管道后方会产生不对称交替脱落的涡街，诱发周期性脉动压力。在洪水期，水流条件恶化和河床冲刷加剧会显著改变管道的悬空状态和受力条件，当涡脱频率与管道自振频率接近时会发生共振，导致结构疲劳甚至灾难性失效。然而，现有研究多集中于定常流条件下的海底立管VIV，对于非定常流条件下穿越河流的悬跨管道，其冲刷演变与VIV的耦合机制尚缺乏系统认识。特别是顺流向（IL）与横流向（CF）振动在冲刷过程中的耦合行为及其对间隙比变化的响应规律，仍是亟需解决的关键科学问题。为此，研究人员开展了非定常流与局部冲刷共同作用下悬跨管道VIV的实验研究。

**2. 主要技术方法**

研究采用高精度多功能变坡试验水槽系统（28.00 m × 0.56 m × 0.7 m）进行水弹性模型试验，基于Froude相似准则设计，长度比尺Λ_L=40。试验流量范围为12.3~12.68 L/s，初始间隙比e₀/D设为0.8、1.0和1.2三个水平，管径分别为0.8 cm、1.1 cm和1.3 cm。模型沙采用均匀级配石英砂，中值粒径d₅₀=1.77 mm。管道表面布设12个应变传感器，分别测量CF和IL方向的应变响应，采样频率200 Hz。数据处理采用模态分析方法：首先从实测应变中分离出VIV引起的弯曲应变，然后以正弦函数为振型函数，通过曲率-应变关系求解模态权重系数，进而重构管道位移响应。基于带通滤波后的位移时程，计算功率谱密度（PSD）得到主导频率，并进一步分析振动幅值、运动轨迹和频率比。

**3. 研究结果与分析**

**3.1 冲刷深度演变及关键期识别**

研究发现，相同来流流量和初始间隙比条件下，冲刷深度随管径增大而减小，这是管道下方水流收缩效应减弱所致；冲刷深度随流量增大而增大，且表现出放大效应；冲刷深度随初始间隙比增大而增大。敏感性分析表明间隙比是主导控制参数：小e₀/D时冲刷呈自限制特征，大e₀/D时冲刷持续发展。30~50 min时段冲刷深度变化最显著，与洪峰高流量阶段对应，被确定为关键冲刷期。

**3.2 临界冲刷期VIV响应特征**

在关键冲刷期内，IL方向VIV幅值稳定且对冲刷过程不敏感，而CF方向幅值波动显著，表明IL响应主要受拖曳力控制，CF响应受瞬时管床间隙强烈调制。当e₀/D>0.8时，IL主导频率约为CF频率的2倍，标志规则对称涡脱落模式的出现。CF响应呈现2~4倍高阶谐波，IL响应亦有2~3倍谐波分量。幅值分析表明，e₀/D从1.0增至1.2时，CF最大振幅增大76%，而IL仅增大8%，证实了CF振动的选择性放大机制。重复性试验（每组36个数据点）显示CF振幅变异系数（25.0%）显著高于IL（12.2%），验证了该差异的统计显著性。

**3.3 管道顺流向与横流向VIV耦合分析**

运动轨迹分析显示，随间隙比增大，轨迹从近圆形演变为CF方向拉长的椭圆形，椭圆度增大并出现Lissajous-like畸变，这与CF响应高阶谐波的叠加有关。频率比分析揭示了e₀/D=0.8与1.0之间的显著转变：e₀/D>1.0时f_IL/f_CF稳定锁定在2.0附近；e₀/D=0.8时频率比在1.0~2.0之间散乱分布。进一步的相位差、互相关和谱相干分析为强耦合判据提供了定量支撑：e₀/D=1.2时相位差稳定在?88°±12.6°，互相关系数0.86，谱相干度0.93；而e₀/D=0.8时相应指标分别恶化至86.4°±52.7°、0.22和0.38。据此研究建立了强耦合的四准则判别框架：频率比≈2.0（±5%）、相位差稳定于±90°（标准差≤15°）、互相关系数≥0.80、谱相干度≥0.90。

**4. 讨论与结论**

研究讨论指出，e₀/D≈0.8–1.0构成临界转变区间：下界≈0.8标志频率比有序化起始，上界≈1.0标志强耦合状态完全建立。该转变与经典间隙比效应认识一致：间隙过小时床面抑制规则von Kármán涡街形成，间隙超过临界范围后涡脱落充分发展。研究结论可归纳为：①冲刷深度受流量、管径和间隙比共同控制，其中间隙比通过自限制冲刷 regime 向持续冲刷 regime 的转变发挥主导作用；②IL与CF响应呈现部分解耦特征，CF振幅对间隙比高度敏感而IL相对不敏感，CF振幅增大76%而IL仅增大8%；③e₀/D>1.0时频率比锁定为2.0，对应稳定对称涡脱落和强耦合 regime，e₀/D=0.8时频率比不规则散乱，对应床面约束的弱耦合状态；④运动轨迹从近圆形演变为CF拉长椭圆，为耦合状态转变提供了运动学证据；⑤提出的多准则强耦合判定框架可可靠区分真正的相位锁定耦合与仅由共同涡脱频率驱动的相关响应。上述发现表明，冲刷引起的间隙比演变是控制非定常流下IL–CF VIV耦合状态的首要参数，维持e₀/D低于1.0可有效抑制严重横流向振动，为管道工程设计提供了物理依据。研究局限在于均匀沙床简化、固定水平床面、有限流量和间隙比范围、中跨响应为主的分析，未来需在活床条件、长历时洪水过程、多模态空间分布及原型尺度验证等方面深化。