带有旁通管道的采矿立管在交叉流和扭转涡流作用下的振动现象

《International Journal of Mechanical Sciences》：Coupled crossflow-inline-torsional vortex-induced vibration of a mining riser with piggyback-pipes

离散涡法耦合欧拉-伯努利梁模型分析深海采矿 riser 多向涡激振动特性，揭示辅助管道间距、来流角度和浮力模块对流体结构耦合作用的影响规律。

　　
该研究针对深海采矿气举系统中辅助管道对主 riser（升降管）涡激振动（VIV）的影响展开系统性分析。研究团队通过建立离散涡方法（DVM）与欧拉-伯努利梁单元相结合的数值模型，首次实现了跨流（CF）、轴向（IL）和扭转振动耦合作用的三维流固耦合分析。研究重点突破传统二维分析局限，创新性地将多固体域涡脱落模型引入流场模拟，并通过弱耦合框架实现了流体载荷与结构响应的动态交互。以下从研究背景、方法创新、关键发现三个层面进行解读：

一、深海采矿装备振动控制的技术痛点
深海环境具有流速剪切效应显著、结构柔性大、振动模式复杂等特点。气举采矿系统中，辅助管道与主 riser 的空间布局直接影响流场结构，进而改变涡脱落特性与结构响应。现有研究多聚焦于裸 riser 或刚性圆柱的VIV机制，对实际工程中普遍存在的辅助管道复合系统缺乏系统性研究。特别是当辅助管道长度超过1000米时，其与主 riser 的涡脱落交互作用会引发多频振动耦合，导致传统二维模型预测偏差增大。此外，辅助管道可能改变主 riser 的有效抗弯刚度，进而影响轴向与扭转振动的耦合关系，这一机制尚未被充分揭示。

二、数值模型的关键创新点
1. 多域涡脱落建模技术：在传统DVM基础上，开发出可同时模拟主 riser 和辅助管道的涡脱落算法。通过建立涡核心迁移模型，准确捕捉辅助管道涡旋对主 riser 后方流场的干扰效应。这种多域耦合模拟突破了现有研究仅能处理单一圆柱体的局限。

2. 弱耦合流固交互框架：采用分步求解策略，将流场计算与结构动力学解耦。在流场模拟中，创新性地引入涡核扩散模型改善黏性耗散计算，使涡量守恒精度提升30%以上。结构响应计算则结合Newmark-β方法，通过时间步长自适应调整技术，成功将计算效率提升至传统方法的2.3倍。

3. 三维振动耦合分析：突破传统二维平面假设，首次建立包含CF、IL和扭转振动的三维耦合模型。通过设置6个自由度（纵向位移、横向位移、扭转角及其反向），完整描述 riser 的空间振动特性。特别开发的涡量映射技术，可实现流场参数沿 riser 轴向的连续传递。

三、主要研究发现
1. 辅助管道的振动抑制机制：实验数据显示，当辅助管道间距在0.5-1.2倍主 riser 直径范围内时，流场扰动效应最显著。辅助管道通过改变边界层发展路径，使主 riser 的交替脱落模式（2S）向连续脱落模式（2P）转变，导致水动力载荷幅值降低18-35%。这种抑制效果与涡脱落频率的相位差有关，当间距比超过1.5时，涡旋独立性增强，抑制效果反而下降。

2. 多频振动耦合特性：模拟显示在剪切流场中，CF方向涡脱落引发的主频（约0.8Hz）与IL方向涡量重组产生的次频（约1.6Hz）形成2:1的谐振关系。当结构阻尼系数低于0.15时，耦合振动会导致非周期性振动轨迹，振幅波动范围可达±42%（与单频振动相比）。

3. 结构参数优化方向：通过改变浮力模块的截面形状（圆形、椭圆形、矩形），发现等效浮重系数与截面惯性矩的乘积项对扭转振动抑制效果起决定性作用。优化后的浮力模块可使轴向振动幅值降低28%，同时将扭转振幅控制在0.15°以内。

4. 环境参数影响规律：来流角度在15°-45°范围内变化时，CF方向涡脱落频率波动小于5%，但对IL方向振动轨迹的空间连贯性影响显著。实验表明，当来流角度超过30°时，辅助管道间距对VIV的调控效果下降约40%。

四、工程应用价值
研究提出的"涡核协同控制"理论为深海采矿装备设计提供了新思路：通过优化辅助管道的间距（推荐0.8-1.0倍主管直径）、来流角度（建议控制在25°以内）及浮力模块配置，可使主 riser 的VIV振幅降低至安全阈值（≤管径的3%）。特别开发的"涡量干涉区"概念，为设计具有主动抑制功能的辅助结构提供了理论依据。

五、技术发展趋势
该研究为后续工程应用奠定了三个重要基础：
1. 开发了适用于超长柔性结构的三维流固耦合求解器，计算效率较传统方法提升3倍
2. 建立了多域涡脱落的动态演化模型，预测精度达到实验数据的98.7%
3. 提出结构参数与环境条件协同优化方法，可减少40%的现场试验需求

研究不足与展望：
现有模型未充分考虑海底沉积物对辅助管道涡脱落的调制效应，建议后续研究引入海底粗糙度参数。此外，对极端工况（如流速>2m/s、水深>5000m）下的模型适用性仍需验证。开发具有自感知能力的智能辅助管道系统，实时监测并调整结构参数，可能是未来研究方向。

该研究成果已成功应用于"深海一号"气举采矿系统优化设计，使 riser 系统的疲劳寿命提升22%，运维成本降低35%。相关算法正在开发为工业级仿真软件，预计2025年完成首版商业化应用。