摘要
随着科技与经济的发展，当今世界对石油的需求量逐渐增加，海洋油气勘探开发工程日渐兴盛，钻井隔水管作为海洋钻井作业中的重要设备，在实际工作中承受着复杂的外力：海洋的海流力、波浪载荷，也包括液压张紧器在隔水管顶部施加的张紧力。同时，在隔水管主管的外围经常需要安装辅助管线辅助其工作，这些管线各自承担着特定的功能。以上这些外界因素都会对隔水管的动力响应产生影响。本文运用数值模拟和实验相结合的方法，研究钻井隔水管在顶张力和海流作用下的流固耦合，分析隔水管在流场环境下的动态响应特性，主要研究内容如下： 搭建可调节张紧力的多管测试实验平台，通过自制的张紧系统与管柱装夹系统，可以改变张紧力大小与辅助管线模型的迎流角度，同时利用采集系统获取隔水管在不同张紧力与辅助管线迎流角度下的应变时程曲线，获得各因素对隔水管动力响应的影响。通过应变时程曲线发现，随着外流速的增大隔水管模型的应变随之增大。而张紧力可以抑制隔水管模型的应变程度，随着张紧力的增大，隔水管各位置的应变值和最大应变位置均发生变化。 为了得出张紧力大小与辅助管线分布位置对隔水管的位移、应变与等效应力的影响规律，通过数值模拟研究，对不同张紧力，辅助管线迎流角度与间距比下的隔水管进行数值模拟计算，并与实验数据进行对照，验证此数值模型的可靠性。结果表明：张紧力在一定的大小范围内可以抑制隔水管的变形。四根辅助管线的条件下，一定范围内的迎流角度和间距比对隔水管的变形有抑制作用，当迎流角度较小时，反而会增大隔水管的变形程度。 采用明渠造波原理，利用VOF流体体积法结合RNGk-ε湍流模型建立三维数值波浪水池，得到不同波高、波长以及辅助管线迎流角度对隔水管的位移、应变与等效应力的影响规律。结果表明：隔水管的最大位移值会随着波高的增大而增大。随着波长的增加，波浪的周期会变长，隔水管最大位移值的变化周期也随之增加。辅助管线的迎流角度越大，隔水管的位移、应变与等效应力值越小，当角度在30°~45°时，辅助管线可以对隔水管因波浪载荷而产生的变形起到较好的抑制作用。
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