稳态段塞流对钢悬链立管动态响应的影响分析

刘德鹏， 艾尚茂， 孙丽萍， 贾鲁生

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中海油研究总院有限责任公司 工程研究设计院， 北京 100028)

海洋立管的作用是将油气资源从海底输送到海上平台，是海洋油气行业中的关键水下设备。立管内部通常为混合了多种气体与液体的多相流体，该种流动情况被称为段塞流。由于立管结构的几何非线性[1-2]以及段塞流不均匀的质量分布，使得输送段塞流的立管动态响应预报十分复杂。

考虑到流固耦合方法计算复杂且耗时较长，一般在立管设计中需要建立合适的段塞流数学模型来开展海洋立管总体响应预报。段塞流具有速度和密度随时间变化的特征[3]，当内部流动速度一致且每部分段塞长度相等时，即为稳态段塞流。早期研究往往将立管内部流动简化为均匀流考虑[4]。Patel 等[5]提出了一种密度随位置和时间的变化而呈正弦变化的稳态段塞流模型。当前国内对于段塞流的研究主要集中在严重段塞流的成型机理以及影响[6]，稳态段塞流模型相关研究较少。

Shabana[7]提出了一种有限元建模方法，即绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formula, ANCF)。该方法中节点坐标在全局坐标系中定义，有效地避免了复杂的坐标变换。此外，ANCF采用斜率向量代替角坐标的方式来描述结构的局部旋转[8]，可以准确地描述刚体位移与柔性变形之间的耦合关系。通过将ANCF与任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)描述结合，可以精确高效地描述具有大变形特征的介质[9]。

为预测内部段塞流引起的立管结构振动，本研究在ALE-ANCF框架下建立了海洋立管与内部段塞流的有限元分析模型。……