气液比对缓波形立管振动特性的影响

董浩轩; 闫天红; 周国强; 王维刚

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501682

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2876-2882 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501682

石油、天然气工业

气液比对缓波形立管振动特性的影响

董浩轩 ¹^,² ,
闫天红 ¹^,²^,^* ,
周国强 ¹^,² ,
王维刚 ²

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Effect of Gas-liquid Ratio on Vibration Characteristics of Lazy-wave Riser

DONG Hao-xuan ¹^,² ,
YAN Tian-hong ¹^,²^,^* ,
ZHOU Guo-qiang ¹^,² ,
WANG Wei-gang ²

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摘要

段塞流引起的不稳定流体力使得立管振动更为复杂。基于VOF(volume of fluid)多相流模型对气液变化进行追踪,通过单向流固耦合方法得到含段塞流的缓波形立管振动响应。探究由表观液速引起的气液比变化对立管高曲率位置振动响应的影响,通过时域和频域的分析发现:随着气液比的增大,立管顺流向和垂向位移先增后减并表现为驻波特性,而横流向位移先减后增,测点相位差体现行波特性。频率方面,横流向不同测点的主振频率不同。随气液比的增大,一阶和二阶频率对位移贡献的差值减小,模态竞争加剧。研究结果可为立管流致振动研究提供参考。

Abstract

The unstable hydrodynamic forces caused by slug flow make the vibration of the riser more complex. The gas-liquid changes were tracked based on the VOF(volume of fluid) multiphase flow model, and the vibration responses of the Lazy-wave risers with slug flow were obtained through the single fluid-solid coupling method. The influence of the changes in the gas-liquid ratio caused was explored by the superficial liquid velocity on the vibration responses at the high-curvature positions of the riser. Through the analysis in the time domain and frequency domain, it is found that: as the gas-liquid ratio increases, the in-line and vertical displacements of the riser first increase and then decrease, exhibiting standing-wave characteristics, while the cross-flow displacement first decreases and then increases, and the phase differences among the measuring points reflect the traveling-wave characteristics. In terms of frequency, in the cross-flow direction, the dominant vibration frequencies at different measuring points are different. As the gas-liquid ratio increases, the difference in the contribution of the first-order and second-order frequencies to the displacement decreases, and the modal competition intensifies. The research results provide references for the study of riser flow-induced vibration.

Graphical abstract

关键词

缓波形立管 / 段塞流 / 气液比 / 流固耦合 / 数值模拟

Key words

lazy-wave riser / slug flow / gas-liquid ratio / fluid-solid coupling / numerical simulation

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董浩轩, 闫天红, 周国强, 王维刚. 气液比对缓波形立管振动特性的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2876-2882 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501682

DONG Hao-xuan, YAN Tian-hong, ZHOU Guo-qiang, WANG Wei-gang. Effect of Gas-liquid Ratio on Vibration Characteristics of Lazy-wave Riser[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2876-2882 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501682

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在海洋油气开发领域,缓波形立管作为连接海底井口与浮式平台的关键构件^[1],其结构完整性与动力学性能直接决定着浮式生产系统的安全运行。这类立管长期遭受风、浪、流等环境载荷,使其成为浮式生产系统的薄弱环节。与此同时,管道内部的气液两相流动力学特性,特别是段塞流现象,对缓波形立管的力学行为影响同样不容忽视。在油气混输过程中,受海底地形起伏、气液流量波动以及缓波形立管特殊几何构型的制约^[2-3],段塞流成为最常见且危害极大的流动工况。特别是液塞流出时,液体流量能达到平均流量的数倍,容易引发溢流事故;而段塞流的强非稳定性给正常的生产也会造成困难^[4]。

针对段塞流对管道系统造成的显著危害,因此中外学者对段塞流的流动特性进行了大量实验和数值模拟研究。在实验研究方面,陈雯等^[5]采用灰色关联度法分析实验数据,揭示了管径对持液率的显著影响,有效提升了段塞流持液率的计算精度。常英杰等^[6]通过改变气液流速,发现段塞流频率对液体速度的变化更加敏感。吴明明等^[7]确定了管道失稳的临界流速,并指出管道振动的固有频率会产生周期性变化,且该变化周期与段塞长度相关。Bordalo等^[8]利用小比例尺悬链线立管模型,通过摄像机记录了管道主体沿着各点上55个目标的位置,评估了段塞的长度和滞留量。朱红钧等^[9]采用同样的方法开展了段塞流对悬链线立管振动响应实验,发现随气液流速的增大,振幅增大,模态相互作用增强,虽然高阶模态占比逐渐增大,但立管振动始终由一阶模态主导。在此基础上,高岳等^[10]发现振动模态在时间上存在切换现象,区分了3种切换形式并指出模态切换与液塞长度、流动频率及液塞的分布情况均有关。

在数值模拟方面,李效民等^[11]基于向量式有限元法引入段塞流的影响,发现液塞速度和长度能够改变海管振动的锁振区间。Bordalo等^[12]提出能够反映段塞流质量分布的模型,证实段塞流可以引起相当大振幅的立管振动,尤其是压力波动频率接近立管固有频率时。Jeong等^[13]发现段塞流的影响主要在高曲率区域,并验证了规则段塞流模型在立管振动的定量研究中的适用性。Meléndez等^[14]将段塞流视为变密度的单相流体并通过周期性函数来描述,发现液体质量流量增加会导致顶部张力振荡幅值增加。此外,气相密度较低时振荡幅值更高。Cabrera-Miranda等^[15]采用欧拉-伯努利梁模型和矩形脉冲串形式的段塞流模型进行仿真计算,确定了可能导致缓波立管极限状态的段塞频率和长度参数。刘德鹏等^[16]采用呈现正弦变化的稳定段塞流数值模型,发现段塞长度增加会增强悬挂段双频叠加振动现象。Othman等^[17]采用稳定时变段塞流,研究缓波立管水平和垂直面内响应,证实段塞流能够降低振动频率并激发了多模态耦合效应。Minguez等^[18]采用单项流固耦合数值模拟方法,分析了可变化的段塞参数对立管振动的影响规律。

值得注意的是,现有研究主要集中在水平管道和悬链线立管,针对缓波形立管的研究鲜见报道。同时,已有研究多采用理想化的规则模型,忽略了段塞参数的随机变化特性。鉴于此,现突破传统理想化段塞流模型,建立考虑段塞长度、速度、频率随机变化的非稳态模型,以贴近实际复杂工况。将流体仿真与有限元结构动力学相结合,实现气液两相流-结构振动的单向耦合,精确捕捉段塞流压力波动与缓波形立管振动的非线性响应。探究不同气液比工况下段塞流诱导的缓波形立管振动响应规律,为立管设计与安全运行提供参考。

1 几何模型

利用结构相似理论计算出缓波形立管悬垂段、浮子段、下降段等长度并忽略了浮筒的影响。具体参数如表1所示。通过三维建模建立起结构钢材质的缓波形立管如图1所示,对高曲率位置的P₁、P₂、P₃测点及飞溅区P₄测点,共计4个关键位置的振动响应进行监测。

2 理论模型

2.1 多相流模型

VOF(volume of fluid)多相流模型适用于段塞流等具有明显相界面的流体流动,将流体视为不可压缩连续介质,未考虑相变和传热,因此连续性方程和动量方程分别为

(1)$\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot(\rho \boldsymbol{U})=0$

(2)$\frac{\partial(\rho \boldsymbol{U})}{\partial t}+\nabla \cdot(\rho \boldsymbol{U} \boldsymbol{U})=-\nabla \rho+\nabla \cdot \boldsymbol{\tau}+\rho \boldsymbol{g}+\boldsymbol{F}_{\mathrm{surf}}$

式中:U为流体速度;F_surf为流体的表面张力;t为时间;g为重力加速度;ρ为流体密度;τ为流体黏性应力张量。ρ、τ的计算公式分别为

(3)ρ=α_lρ_l+α_gρ_g

(4)$\boldsymbol{\tau}=\mu\left[\nabla \boldsymbol{U}+(\nabla \boldsymbol{U})^{\mathrm{T}}\right]$

(5)μ=α_lμ_l+α_gμ_g

式中:α_l和α_g分别为液相和气相体积分数;μ为流体的动力黏度。

2.2 结构控制方程

(6)$M \ddot{q}+C \dot{q}+K q=F$

式(6)中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;q为位移矢量;

$\stackrel{·}{q}$

为速度矢量;

$\stackrel{··}{q}$

为加速度矢量;F为结构所受到的水动力矢量。

3 工况与求解设置

3.1 工况设置

随气液比的增加,压力波动明显增大且波动频率对液体速度变化更为敏感,因此设置如表2所示三组气液比工况。其中液体表观流速、气体表观流速、混合速度计算公式分别为

(7)v_sg=$\frac{{Q}_{g}}{A}$

(8)v_sl=$\frac{{Q}_{l}}{A}$

(9)v_m=$\frac{{Q}_{g}+{Q}_{l}}{A}$

式中:Q_g和Q_l分别为气体和液体体积流量;A为管道横截面积;v_sg和v_sl分别为气体和液体表观流速。

3.2 边界条件及求解设置

对于内部输流为气液段塞流,选用液态水为液相、空气为理想气体。边界条件设置为入口采用质量流量入口控制气液比,出口设为压力出口保障压力平衡。管道内外壁面均设为流固耦合交界面,以传递内外流场产生的流体力。

在流体域求解中,时间项采用隐式积分方法平衡精度与稳定性,SIMPLEC(semi-implicit method for pressure-linked equations consistent)算法求解压力耦合方程,二阶迎风格式处理对流项。计算参数设定如下:时间步长为0.001 s,最大迭代次数为35,系统耦合最大迭代次数为5,保证模拟计算结果的准确性。

4 不同气液比对缓波形立管振动响应的影响

4.1 管内气液流动分析

为探究段塞流气液相分布特性,不同气液比工况下立管内气液分布如图2所示。在水平管段,受重力影响,气液比较大时,管内为分层流动,而气液比较小时,管内流动状态变为段塞流。当气液比为1时,液相流速较高,管内气液塞长度均较短且在液塞中常常裹挟着分散的气泡。在出口位置气塞过短已与液相相融合。随着气液比的增大,气液塞长度逐渐增加,相界面愈发分明。这表明气液比越大越容易诱发段塞流,且生成的段塞现象更为剧烈。

为进一步量化气液比对段塞长度的影响,对浮子段P₂测点处截面流过的气液体积流量进行持续监测。不同气液比工况下,通过截面的气液体积流量如图3所示。计算得到气液比为1时,共捕捉到4个段塞单元,其中液塞长度分别为10.46D、5.53D、14.04D、4.77D(D为立管直径),对应气塞长度为13.46D、5.10D、14.54D、6.87D。气液比为1.5时, 共观测到2个段塞,液塞长度分别为8.3D、19.78D,气塞长度为30.6D和11.64D。当气液比为2时,由于混合速度较小仅测得一个段塞,液塞长度为2.1D,气塞长度为41.7D。由此可见,随气液比的增大气液塞长度呈递增趋势。值得注意的是,气液塞在立管中呈现大段塞和小段塞交替分布的典型特征。

4.2 不同气液比对立管位移响应的影响

数值模拟计算时,采用控制变量法研究由表观液速引起的不同气液比对立管振动响应的影响。由于刚开始管道内段塞流尚未稳定,且高曲率区域受段塞流影响较大,因此选择3 s之后的P₂测点振动响应数据进行分析。如图4所示为立管顺流向、垂向以及横流向位移时历曲线。在顺流向,气液比为1时立管位移最大值为6.70×10^-4 m。气液比为1.5时立管位移最大值为9.01×10^-4 m。气液比为2时立管位移最大值为8.25×10^-4 m。

在垂向时,气液比为1时立管位移最大值为8.39×10^-4 m。气液比为1.5时立管位移最大值为11.44×10^-4 m。气液比为2时立管位移最大值为9.46×10^-4 m。对比顺流向和垂向位移变化趋势可知,二者呈现相似的波动规律,而垂向位移在重力的作用下整体偏向负向。通过位移数据对比,随着气液比的增大,位移响应先增大后减小。当气液比为1.5时,液体表观流速减小,段塞长度增加,段塞频率减小,产生的流体力较为集中。当气液比为2时,段塞长度虽然增加,但液体表观流速再次减小削弱了惯性力,因此位移响应有所减小。

在横流向,位移变化基本关于x轴对称(图4)。气液比为1时立管位移最大值为30.64×10^-4 m,气液比为1.5时立管位移最大值为22.20×10^-4 m,当气液比为2时立管位移最大值为25.99×10^-4 m。可知位移响应先减小后增大,主要原因是随液体表观流速减小,混合速度降低,由二阶频率主导的立管振动逐渐转向由一阶频率主导。在此过程中,不同阶次振动模态间的竞争增强,导致了非单调变化特征。

另一方面,当气液比为1时,通过分析立管不同测点横流向位移曲线如图5所示,可以看到不同测点的位移响应出现相位差。这表明立管不同位置的振动响应在时间序列上存在非同步性。为了进一步探究气液比对立管振动时空特性的影响,立管各方向位移时空变化如图6所示。在测点P₂和P₃两个高曲率位置出现明显的能量聚集特征,验证了段塞流对立管高曲率位置振动响应影响更为突出。然而,在横流向测点P₂和P₃中间位置位移响应出现显著衰减,可能是因为缓波形立管中间部分形成了类似串联立管群效应,对外流引起的涡激振动造成影响。参考文献[19]的相关研究中出现类似结果,进一步验证了本研究方法的可靠性。对比不同方向的振动特性发现,顺流向和垂向立管表现为驻波特性,而横流向为行波特性。如图7所示为立管面内和面外各测点的运动轨迹图。可以看到在面内各测点运动轨迹均为直线,而面外运动轨迹呈现为椭圆形。这主要是因为面内两个方向的振动频率相同,为理解段塞流作用下的立管三维振动提供了可视化依据。

4.3 不同气液比对立管振动频率的影响

对立管不同气液比工况下的位移数据进行傅里叶变换得到了立管振动频率。如图8所示为不同气液比工况下立管顺流向、横流向以及垂向振动频率。立管在各方向均表现为多模态叠加振动。在顺流向和垂向参与振动的频率有3个,分别为0.2、9.0、17 Hz,其中振动由9.0 Hz主导。在横流向上,参与振动的频率有2个,分别为5.8 Hz和11.8 Hz,主振频率为11.8 Hz。进一步研究发现,随着气液比的增大,参与振动的两个频率对幅值的贡献占比越来越接近并且出现了宽带谱现象。

针对气液比为1的工况,分析立管不同测点横流向振动频率,结果如图9所示。发现,同一工况下立管不同测点振动频率不同:P₁和P₃测点主振频率为5.8 Hz,而P₂和P₄测点主振频率为11.8 Hz,说明了立管振动具有空间特性。

5 结论

基于VOF多相流模型,通过改变液体表观流速, 开展了内外流共同作用下,气液比对缓波形立管振动响应特性的影响研究,得到以下结论。

(1)气液比对立管3个方向的振动位移具有非线性调控作用。顺流向和垂向位移随气液比增大先增后减,表现为驻波特性;横流向位移先减后增,不同测点出现相位差,印证了横流向的行波特性。

(2)立管各测点面内和面外的运动轨迹分别为直线和椭圆形,明确了不同维度运动形态差异。

(3)各方向振动均为多模态叠加振动,特别是横流向,同一工况不同测点的主振频率不同。随着气液比的增大,一二阶频率对振幅的贡献差值越来越小。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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