[发明专利]多相内流激励下的输流管道振动响应预测方法

说明书

多相内流激励下的输流管道振动响应预测方法，涉及一种输流管道振动响应预测方法。为了解决目前输流管道振动响应预测都是基于内部为单相内流的情况，从而不能很好对多相内流情况下的输流管道振动响应进行预测的问题。本发明将输流管道内部流体按照三种相成分表示内流的质量、动量和动能，并通过滑移因子建立三相之间流动速度的联系；基于单相内流激励下的输流立管的振动方程，确定多项内流激励下输流管道振动方程；然后对多项内流激励下输流管道振动方程进行无量纲化，并在时间与空间上进行离散，再根据爱恩斯坦求和法则进行化简得到最终形式，多项内流激励下输流管道振动方程的最终形式求解，实现输流管道振动响应预测。

技术领域

本发明涉及一种输流管道振动响应预测方法。

背景技术

针对输流管道的动力学研究具有广泛的工业应用背景。比如：石油工程中采油管柱、集输工程中输送管道、深海工程中钻井管柱、生产管柱等大长径比输流管道在内部流体作用下的振动响应以及系统稳定性特征等问题。除此之外，针对输流立管的动力学研究理论还可以非常方便地推广至航空、化工、生物工程、以及核工程等领域。输流管道结构的结构振动现象是一种典型的非线性流固耦合问题，该问题的特点为：两个介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷的作用下会发生形变或位移，这种形变或位移又会反过来影响流体的运动，从而改变流体载荷的分布和大小。

目前针对内流激励下输流管道振动响应的研究绝大多数都是集中在内部为单相内流的情况。而随着海洋资源开采的快速发展，比如针对深海油气开采工程中的生产立管、以及深海采矿工程中的提升管道，结构内部的流体很明显不再是单相内流，而是复杂的多相内流。与单项内流激励下输流管道的振动响应问题相比，多相内流下输流管道振动响应问题提出了新的挑战。与单相内流相比，多相内流的激励特性不仅和内流流速有关，还和固相与液相的体积分数比值、以及固相与液相的速度比值(即：滑移因子)有关。针对这种多相内流激励下的输流管道振动响应问题，只有不断地提出并完善理论分析手段，通过建立新模型、提出新方法、研发新技术，才能正确认识、科学计算、准确预报其振动响应特性，从而为深水资源开采工程中大长径比输流管道早期的合理设计、以及服役期的安全工作提供技术保障。

发明内容

本发明为了解决目前输流管道振动响应预测都是基于内部为单相内流的情况，从而不能很好对多相内流情况下的输流管道振动响应进行预测的问题。

多相内流激励下的输流管道振动响应预测方法，包括以下步骤：

针对多相内流激励下的输流管道，将内部流体按照气相、液相、固相三种相成分表示内流的质量、动量和动能，并通过滑移因子建立气相、液相、固相之间流动速度的联系；基于单相内流激励下的输流立管的振动方程，将单相内流按照包含气相、液相、固相三种相成分的内流确定多项内流激励下输流管道振动方程；

然后对多项内流激励下输流管道振动方程进行无量纲化，并将无量纲化的多项内流激励下输流管道振动方程在时间与空间上进行离散，再根据爱恩斯坦求和法则进行化简确定多项内流激励下输流管道振动方程的最终形式，多项内流激励下输流管道振动方程的最终形式求解，实现输流管道振动响应预测。

进一步地，将内部流体按照气相、液相、固相三种相成分表示内流的质量m_i、动量项m_iU_i和动能项如下：

m_i＝m_l+m_s+m_g                         (2)

m_iU_i＝m_lU_l+m_sU_s+m_gU_g                     (3)