(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211299554.7 (22)申请日 2022.10.21 (71)申请人 西南石油大 学 地址 610500 四川省成 都市新都区新都大 道8号 (72)发明人 毛良杰　严巨熙　黄鑫　付强　 (74)专利代理 机构 成都金英专利代理事务所 (普通合伙) 51218 专利代理师 袁英 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 17/12(2006.01) G06F 17/13(2006.01) G06F 17/16(2006.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特 性分析方法 (57)摘要 本发明公开了内外流耦合作用下的开采立 管涡激振动特性分析方法， 本文建立了考虑内外 流耦合作用下的开采立管数值分析模 型， 以确定 含两相流立管的涡激振动特性。 采用有限元法和 Newmark‑β法对模型进行分析求解， 总结了内外 流耦合作用下的开采立管涡 激振动响应规律。 本 发明通过外部海流与内部多相流耦合作用下的 开采立管涡激振动特性分析方法为多相流开采 立管的安全性 提供有效的理论指导。 权利要求书2页 说明书10页 附图9页 CN 115544918 A 2022.12.30 CN 115544918 A 1.内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法， 其特征在于， 提出了考虑内 外流耦合作用下的开采立管数值分析模型和管内多相流模型分析方法， 包括开采立管力学 模型分析方法、 流体力模型分析方法、 尾流振子模 型分析方法和管内两相流模型分析方法， 采用有限元法和Newmark ‑β 法对模型进行求 解， 具体求 解步骤如下 所示： S1： 根据外部海流速度大小、 立管长度、 立管内外径、 内流速度等参数对深海含两相流 立管进行模拟， 模拟开采立管涡激振动过程； S2： 分析开采立管单元和管内流体单元段受力， 建立考虑内外流耦合作用下的开采立 管力学模 型， 此基础上， 建立考虑管内流型对立管动力响应影响的两相流模型， 计算管内流 体质量和速度分布； S3： 将计算出的管内流体质量和速度分布情况与开采立管模型结合， 基于模型的边界 条件采用Newmark ‑β 法， 求解考虑内外流耦合作用下的开采立管力学模型分析 方法； S4： 根据计算出的考虑内外流耦合作用下的立管动力响应， 模拟分析立管的涡激振动 强弱以及振动频率的大小， 得 出内外流耦合作用下的开采立管涡激振动响应规 律。 2.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法， 其特 征在于， 所述S1中的两相流立管管内的两相流能够对开采立管产生动态激励作用， 在开采 立管运移两相流的时候， 进一步将开采立管简化为两端简支的内输多相流立管； 立管置于 横向流动的海流中产生大变形弯曲， 同时由于海水绕过圆柱管道会因旋涡脱落而产生涡激 力作用于开采立管 上， 进而使得立管产生涡激振动。 3.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法， 其特 征在于， 所述S2中在分析相流动基本方程推导过程中， 将两相分别按单相流处理并计入相 间的相互作用， 再将各相的方程加以合并， 具体步骤为： 根据流体微元单元段受力分析图， 得到管内多相流流体微元段x方向上的力平衡方程 为： 开采立管微元 段x方向的力平衡方程 位： 剪切力Q与弯 矩M为： 联立上述方程得到 两相流的深水立管顺 流向(x方向)运动微分方程 为： 得到开采立管横流方向(y方向)上的运动微分方程 为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115544918 A 2式中： EI—弯曲刚度(N ·m2)； x—顺流向位移(m)； y—横 流向位移(m)；z—立管轴向位置 (m)； T—截面张力(N)； c—结构阻尼； Fx(z,t)—顺流向海洋环境载荷(N)； Fy(z,t)—横流向 海洋环境载荷(N)； vl、 vg—气、 液体的速度(m/s)； mr、 ml与mg—单位长度 立管质量、 单位长度 立管内液体与气体质量(kg)； 在轴向方向上， 开采立管轴向上根据立管自身重力与管内流体的重力， 立管截面有效 张力沿程是变化， 开采立管除了受到顶部张力与自身浮力外， 其上部立管还要承受下部立 管的重力， 因此截面上的张力T＝T(z)， 表示 为： 式中： Ttop—顶部张力(N)； ρw—海水密度(kg/m3)； D0—立管外径(m)。 4.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法， 其特 征在于， 所述S3中 的边界条件为 使用Newmark ‑β 法计算开采立 管在全局坐标系下振动控制矩阵方程 其中[M]、 [C]、 [K]分别为质量矩阵， 阻尼矩阵与刚度矩阵； {u}分别为立管 加速度、 速度与位移矢量； {f}为外界的流体力载荷。 5.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法， 其特 征在于， 所述S4中在开采立管振动求解过程中， 保持运算时间步一致， 将 尾流振子模型与立 管控制方程耦合迭代计算， 分别得到开采立管顺流向与横流向的位移 时程响应， 通过对位 移时程曲线 进行快速傅里变换， 得到开采立管顺 流向与横流向的频率响应。 6.根据权利要求1所述的内外流耦合作用下的开采立管涡激振动特性分析方法， 其特 征在于， 所述S4中使用微分控制方程计算悬挂立管的无阻尼自由振动， 得出模型的固有频 率， 对气液两相流和纯液流下 的涡激振动特性对比分析、 不同排量下 的涡激振动特性对比 分析、 不同两相混合密度下的涡激振动特性对比分析和不同进气比下的涡激振动特性对比 分析进行总结。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115544918 A 3