深水油气与海水原位制氢协同开发及混合输运是助力海洋强国建设和实现“双碳”目标的前瞻性举措之一。
在海流激励下，海洋立管涡激振动与顶部平台涡激运动耦联，而输送不同流体介质时的立管质量比存在差异，呈现的振动响应也有明显区别。近日，西南石油大学海洋工程流动安全与控制实验室朱红钧教授团队开展了耦联平台运动内含不同流体介质的S型立管涡激振动响应实验研究。实验在西南石油大学循环水槽中进行，如图1所示，实验采用非介入光学测试手段，由激光位移传感器监测上部平台纵荡和横荡位移、两台高速摄像机同步监测柔性立管平面内与平面外的振动位移。
图1 实验装置示意图
1. 耦联平台运动的S型立管振幅及频率
实验发现，平台纵荡运动幅度大于横荡幅度，连接管内充满水立管的平台运动幅度大于连接管内充满氦气立管的平台运动幅度，表明平台运动与立管振动间的相互影响，平台运动使立管顶部振动幅度增大，立管平面外振动向高阶模态转换时的临界`Ur增大。
通过立管振动主导频率及均方根波峰位置可见，当管内为水时，立管主导频率沿轴向变化，连接平台附近的管段在X方向出现较大振幅，且该位置处的频率数值变化不大。管内为氦气时，立管平面外振动向高阶模态过渡的临界`Ur小于充满水的立管；立管平面内多为低频振动，且其空间上振动主导频率不同步，表明立管轴向存在较强的模态竞争。
图2 内含不同介质S型立管的平面内、外均方根振幅
图3 立管的主导频率及均方根振幅波峰位置随Ūr的变化
2. 平台运动、立管振动及浮力块响应间的竞争
根据平台、立管及浮力块的主导频率定义了平台运动与立管振动间的耦联模式，包括平台主导的强耦联模式、立管主导的强耦联模式、浮力块主导的强耦联模式以及弱耦联模式四种。
根据主导频率与固有频率的时空分布，定义了浮力块对立管的影响长度lb和影响浮力块的立管长度lr，立管空间频率竞争导致了影响长度的时变性。在管内充满氦气的立管中，平台运动增强了浮力块对立管的影响。与管内充满氦气的立管相比，管内充满水的立管在平面内、平面外响应间表现出更强的耦合性。然而，平台对立管平面内、平面外耦合响应的影响与立管和平台间的耦联关系密切。
平台运动使立管振动幅值减小，其对立管向高阶模态转移有抑制作用，立管质量比越小，平台运动对立管的影响越明显。平台运动增强了立管振动轴向的行波传递，且行波传递主要发生在平台与浮力块之间的管段，行波传递方向和行波起始空间位置存在时空演变，当立管质量比较小时，这种现象越明显。
图4 平台运动与立管振动的耦联模式分区
(a) 管内为氦气时立管振幅时空变化及平台、立管、浮力块频率时间占比的空间演变
(b) 管内为水时立管振幅时空变化及平台、立管、浮力块频率时间占比的空间演变
图5 Ūr=15.98时耦联平台运动的S型立管振动特性
团队介绍
朱红钧，男，西南石油大学教务处副处长，二级教授，博导，入选教育部“国家级人才奖励计划”青年学者，全国优秀党务工作者，全国高校“双带头人”教师党支部书记工作室负责人。长期从事海洋油气工程、油气储运工程、流体力学方面的教学与研究工作，致力于海洋管柱多场多相耦合力学行为研究，主持/主研国家自然科学基金、四川省杰出青年科学基金等30余项，在J Fluid Mech、Appl Energ、J Fluid Struct、Phys Fluids等重要学术期刊发表SCI论文150篇，包括ESI热点论文2篇、ESI高被引论文4篇、编辑推荐论文4篇、期刊封面论文3篇，他引3000余次，在科学出版社等出版专著6部、编著9部、规划教材7本。担任“水动力学研究与进展”期刊副主编，四川省力学学会流体力学专业委员会主任，四川省科青联常务理事，中国力学学会流固耦合专委会委员，中国钢结构协会海洋钢结构分会理事，中国海洋学会海洋工程分会理事，中国海洋学会海洋技术装备专委会委员。获包括四川省科学技术进步奖在内的省部级及社会力量奖共14项，其中排名第一的一等奖2项、二等奖4项、三等奖3项、个人奖3项。入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单和终身科学影响力榜单。
西南石油大学海洋工程流动安全与控制团队致力于海洋工程流动安全与控制、多相流体力学与流动保障、海洋新能源开发与利用、能源与人工智能等领域的研究。与国内外知名海洋类高校（西澳大学、英国纽卡斯尔大学、英国帝国理工大学、纽卡斯尔大学新加坡分校、挪威科技大学、韩国首尔大学、新加坡国立大学、清华大学、上海交通大学、浙江大学、天津大学、四川大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、郑州大学等）在学术上保持有紧密的合作关系，博士研究生实行海外联培模式。已培养硕博士38名，就业于中海石油（中国）有限公司、海洋石油工程股份有限公司、中国空气动力研究与发展中心等企事业单位与科研院所。团队研究生获国家奖学金80余人次、校长奖学金4人次、“新石”双一流雏鹰奖学金1人次、全国挑战杯大赛国家奖4人次、“互联网+”创新创业大赛省赛银奖8人次，中国石油工程设计大赛国家奖15人次，储运工程设计大赛国家奖10人次，海洋工程设计大赛国家奖20人次。
团队微信公众号：
文章信息
Experiment on the vortex-induced vibration of an S-shaped flexible riser coupled with an oscillating platform
Hongjun Zhu (朱红钧), Wenli Liu (刘文丽), Kairui Deng (邓楷睿) Yue Gao (高岳), Tongming Zhou (周同明)
Physics of Fluids 36, 097133 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0228811
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期刊介绍
Physics of Fluids是一种致力于发表原创理论、计算和实验贡献，以了解气体、液体和复杂或多相流体动力学的卓越期刊。本刊对流体物理的主题进行了专业的快速审查，反映了流体动力学中最重要的主题。
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