摘要
随着油气资源的需求增大，油气开采的不断向深水甚至超深水推进，在深水油气生产中，油气混输技术被工程上广泛应用，油气通过立管系统运输至生产平台或浮式生产储存和卸载设施，立管是海洋油气从海底井口到浮式平台的输送通道，进入立管内的天然气在深水立管内低温高压的环境下会生成固态水合物，离开稳定区后水合物又会再次分解成天然气。另外深水立管在服役期间，不但受到管内含水合物相变多相内流作用，也会受到波浪、海流以及顶部平台的激励，因此深水立管动力响应规律更加复杂。 为探索含水合物相变的多相内流对海洋立管动力响应的影响规律，本文基于计算流体力学，建立了含水合物相变的多相内流数值模型，采用有限差分法求解获取管内流动参数；根据虚功原理，建立顺流向振动方程，后引入尾流振子模型，建立涡激振动方程，采用Newmark-β方法进行数值求解，得到立管在含多相内流和环境荷载作用下的运动响应，并通过傅里叶变化和小波变换进行立管响应频谱特性和时频特性分析；建立顶张力立管参激振动方程，基于弗洛凯理论得到立管系统的参激不稳定区域以及参激振动响应。最后分析了不同进气比下含水合物相变多相内流对海洋立管顺流向振动、涡激振动以及参激稳定性的影响。 研究结果表明：从立管入口到出口，多相内流压力和密度不断减小，速度和加速度不断增大，在水合物生成区域，水合物生成使流动参数变化缓慢，在水合物分解区域，水合物分解加速流动参数变化；立管自振频率随进气量增大而增大，高阶模态时变化趋势较明显；在海流激励下，立管振幅包络随进气量的增大而减小；在波浪作用下，进气量的变化对立管振动频率无明显影响，但会影响立管与海流之间的共振，从而影响振幅；立管受线性剪切流激励时，表现出多模态涡激振动响应，随着进气比的增加，结构响应由高阶模态主导变为低阶模态主导，立管更容易在低阶模态发生频率锁定现象；进气比增加使立管参激不稳定区向高频区移动，科氏力的阻尼效应减弱，不稳定区域增大，不稳定区区临界垂荡幅值减小，特别是在不考虑水动力阻尼的情况下，会激发出更多高阶不稳定区。
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