含缺陷海底管道非線性流固耦合振動的理論與實驗研究

《含缺陷海底管道非線性流固耦合振動的理論與實驗研究》是依託浙江大學，由張鶴擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：含缺陷海底管道非線性流固耦合振動的理論與實驗研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：張鶴
• 項目類別：面上項目

項目摘要

海底管道是海洋石油工業中最重要的運輸手段，其工作環境極端，在服役過程中容易出現缺陷損傷，對結構可靠性和輸運安全造成了極大威脅。本項目擬針對含局部蝕坑、管壁大面積剝蝕、或弱界面缺陷的層狀海底輸油管道渦激振動開展理論研究，分別建立變剛度三維梁、變厚度和弱界面層狀空心圓柱殼的非線性流固耦合振動模型，考察蝕坑缺陷形態、剝蝕深度和範圍、弱界面剛度對輸油管道渦激振動的影響規律，並研究含大面積剝蝕缺陷管道的局部振動特性。同時進行室內實驗和真實海洋環境下的現場試驗研究，並開展同時針對流場與結構的三維數值仿真。通過本項目的研究，旨在建立合理有效的含缺陷海底輸油管道渦激振動理論模型，再現其實際工作性狀，明確缺陷對管道動力特性的影響機制，從而為完善輸流管道流固耦合振動的理論體系奠定基礎，具有重要的科學意義，同時可為海底管道出現缺陷後的安全評估、維修加固和振動控制提供決策依據，具有重要的現實意義和廣闊的套用前景。

結題摘要

項目針對含缺陷海底管道渦激振動開展理論研究，分別基於梁理論和三維全場流固耦合理論，建立了考慮流固耦合效應的管道振動計算方法，開展了同時針對流場與結構的三維數值仿真，並基於實驗數據對所提理論方法進行了驗證。基於結構振動計算基礎理論，分別建立了變剛度三維梁、變厚度和弱界面層狀空心圓柱殼的非線性流固耦合振動模型，考察了裂紋、蝕坑、層間弱界面三種典型缺陷對海底管道渦激振動的影響規律及機制，完成了申請書所提研究內容。在基金申請書計畫內容的基礎上，針對海底管道渦激振動致管道損傷的隱患，提出了對應的管道振動控制方法，採用三維全場流固耦合理論結合有限元方法對管道振動控制開展了理論研究，獲得了整流罩和分隔板兩種振動控制裝置的尺寸最佳化方案。並針對海底服役管道振動狀態的評估需求，基於靜電發電原理研發了適用於海底管道的自供能智慧型感知技術，對海底管道的振動狀態評估提供一種新型智慧型感知方法，為管道的運營評估提供依據和技術支持。以上研究成果完成了基金申請書計畫內容，並根據實際工程套用需求開展了延續性探索，取得了良好進展。依託本項目，共指導博士研究生3名、碩士研究生9名，其中畢業博士生1名、碩士生3名。課題組晉升副教授2名，晉升博士生導師2名，博士後出站1名。在本項目實施期間，項目組成員參與了多次國際交流合作，參與籌備組織第四屆全國海洋技術會議暨OceanTech International Symposium，並參與國內外會議或學術交流並進行主題或邀請報告18人/次，其中國際12人/次，國內6人/次。項目相關成果以論文形式發表總計SCI論文8篇，授權軟體著作權3項，授權專利16項，公開專利19項。