并肩排列深海立管群渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究

馮麗蘋，李 朋，姜振興，王淑玲，王 崢，陳 鑫，王 飛，李效民

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

深海石油鉆井系統(tǒng)中，海洋立管多以立管群的形式存在，通常情況下以“串”、“列”及“群”的結(jié)構(gòu)形式布置。當(dāng)外流流經(jīng)管群時(shí)，管群中立管產(chǎn)生的渦激振動(dòng)會(huì)對(duì)流場(chǎng)及周圍立管的渦激振動(dòng)產(chǎn)生影響，相較于孤立管的渦激振動(dòng)，多立管間的管間流動(dòng)使得流場(chǎng)變得更加復(fù)雜多樣，這種流固耦合現(xiàn)象稱為“渦激振動(dòng)”，近年來(lái)立管的渦激振動(dòng)現(xiàn)象始終是各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-3]。

雙管作為研究群管系統(tǒng)的基本單元，其渦激振動(dòng)引起了研究者較多的關(guān)注。Zdravkovich等[4]回顧了早期相關(guān)工作，包括串聯(lián)、并聯(lián)和交錯(cuò)布置的圓柱群，并將具有相同性質(zhì)的兩個(gè)圓柱體的彈性流體響應(yīng)變化分為3種特征類型；Huera-Huarte等[5]研究了低模態(tài)下間距為2.0～5.0D(D為圓柱體直徑)的并列雙圓柱的動(dòng)力響應(yīng)，從而識(shí)別出渦激振動(dòng)和尾流耦合，給出了立管模型之間的振動(dòng)幅度、頻率和相位同步信息；基于開源程序Open FOAM和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，及春寧等[6]利用切應(yīng)力平衡法建立水流作用下的海上風(fēng)電基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)學(xué)模型，在雷諾數(shù)為100的條件下改變上下游圓柱的振動(dòng)模式對(duì)串列雙圓柱的流致振動(dòng)及其耦合機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)果表明無(wú)論上游圓柱靜止或者振動(dòng)，下游圓柱橫向振幅明顯大于單圓柱。除了對(duì)雙圓柱/管的廣泛研究外，近年來(lái)研究者還對(duì)3圓柱/管群進(jìn)行了進(jìn)一步探討。Sumner等[7]使用粒子圖像測(cè)速和熱線風(fēng)速測(cè)量來(lái)研究并列布置2個(gè)和3個(gè)固定圓柱的動(dòng)力響應(yīng)，分析了柱間間距和流速對(duì)漩渦脫落頻率、渦漩模式和渦流強(qiáng)度的影響。Zhang等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了不等間距3圓柱體后方的尾流效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在小的間距比下，圓柱體尾跡流動(dòng)行為由對(duì)稱變?yōu)椴粚?duì)稱。為了更接近實(shí)際工程，王世博等[9]通過(guò)剛性模型測(cè)試了12個(gè)間距比下的串聯(lián)3圓柱，發(fā)現(xiàn)3圓柱的臨界間距，并與孤立圓柱進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)3圓柱的平均阻力均小于單圓柱的平均阻力。由于管群模型試驗(yàn)的實(shí)施難度大，數(shù)據(jù)采集分析困難，更多學(xué)者通過(guò)對(duì)3個(gè)及以上圓柱體進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)研究3管群尾流結(jié)構(gòu)、升阻力和渦漩脫落模式的變化規(guī)律。其中，涂佳黃等[10]通過(guò)隱式特征線分裂算子有限元方法對(duì)剪切來(lái)流下串列3圓柱流致振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了剪切來(lái)流作用下串列3圓柱結(jié)構(gòu)流致運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的機(jī)理；張猛等[11]采用XFlow求解器研究不同間距比及來(lái)流流速對(duì)三角分布立管升阻力系數(shù)及漩渦脫落模式的影響；陳威霖等[12]對(duì)串列3圓柱渦激振動(dòng)中的弛振現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)平衡位置偏移、低頻振動(dòng)以及旋渦脫落與圓柱運(yùn)動(dòng)之間的時(shí)機(jī)3個(gè)因素導(dǎo)致了弛振現(xiàn)象的出現(xiàn)；對(duì)于并列3圓柱立管，徐曉黎等[13]基于嵌入式壓強(qiáng)-力迭代的高精度浸入邊界法發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)下并列3圓柱共有六種尾流形態(tài)，分別為窄寬窄尾流、不規(guī)律尾流、反相同步尾流、調(diào)制尾流、同相同步尾流和偏斜尾流。

基于以上闡述，各國(guó)研究學(xué)者對(duì)于單管、雙管及3立管各種布置情況下存在的渦激振動(dòng)研究成果頗豐，但對(duì)于更為復(fù)雜的多管群布置研究較少，復(fù)雜柔性管群結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及耦合作用機(jī)理的探究尚不清晰。為此，針對(duì)5立管并肩布置下耦合尾流干涉效應(yīng)開展試驗(yàn)研究，以5立管群為研究對(duì)象，以敏感間距4D為固定間距等間距并列布置，通過(guò)與孤立管進(jìn)行對(duì)比，探究并肩布置下5立管群與孤立管動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的異同，進(jìn)一步揭示多重耦合干涉作用下的立管振動(dòng)響應(yīng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)工程水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室波流聯(lián)合水槽中進(jìn)行。水槽斷面尺寸1.0 m×1.2 m，最大工作水深1.0 m，最大流速1.0 m/s，最大波高0.3 m。整個(gè)系統(tǒng)可以用來(lái)模擬規(guī)則波和穩(wěn)定的流速，滿足試驗(yàn)要求。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，自主設(shè)計(jì)并制造了滿足本試驗(yàn)要求的支撐裝置，作為支撐結(jié)構(gòu)在水槽中固定立管并施加初始張力。結(jié)構(gòu)允許改變模型之間的間距以及施加到模型上的張力。試驗(yàn)中5根立管采用并列站立式布置形式，并通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接以保證其在兩個(gè)方向的自由振動(dòng)，立管下部0.8 m(40%)浸沒(méi)在均勻流場(chǎng)內(nèi)的水槽中。

1.2 工況布置

首先進(jìn)行孤立管的模型試驗(yàn)，對(duì)無(wú)干涉條件下立管渦激振動(dòng)的頻率、位移、橫向及順流向耦合振動(dòng)軌跡等動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行初步分析，并作為管群試驗(yàn)參照依據(jù)。其次，將5立管并肩布置，試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸r布置如圖1(a)裝置側(cè)視圖所示，管間間距均為4.0D，立管編號(hào)從左到右分別為1#、2#、3#、4#、5#(圖1(b))。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 立管模型

立管模型選用外徑0.018 m，內(nèi)徑0.016 m，有效長(zhǎng)度2.0 m，長(zhǎng)細(xì)比(L/D)為111.11的光滑有機(jī)玻璃管。試驗(yàn)利用布拉格光纖光柵傳感器測(cè)量并肩5立管的耦合振動(dòng)，每個(gè)立管模型沿高度分別選取6個(gè)位置作為信號(hào)采集測(cè)點(diǎn)(圖2(a))，為了更加準(zhǔn)確地反映立管的動(dòng)力響應(yīng)，選擇鄰近水面測(cè)點(diǎn)G4進(jìn)行分析，如圖1(a)。試驗(yàn)過(guò)程中為保證數(shù)據(jù)采樣穩(wěn)定性，在立管前端2 m處采用多普勒流速計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每級(jí)外流趨于穩(wěn)定后采樣，采樣時(shí)間為40 s。每個(gè)測(cè)點(diǎn)成90°布置4個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，測(cè)點(diǎn)詳圖如圖2(b)所示，測(cè)量橫向和順流向的動(dòng)態(tài)應(yīng)變?nèi)鐖D2(c)所示。

圖2 光纖光柵測(cè)點(diǎn)布置圖

2 結(jié)果討論

2.1 位移分析

圖3給出孤立管及5管群在橫向(CF)上的無(wú)量綱位移均方根值隨約化速度(Ur)的變化。5管群與孤立管的整體變化趨勢(shì)相似，隨約化速度的增加逐步增大，但低約化速度下，5管群立管的振動(dòng)位移與孤立管相比增長(zhǎng)較快，高約化速度下振動(dòng)位移變化趨于平緩。值得注意的是，在Ur=3.36時(shí)，5管群中的立管1#、5#的位移均方根值與孤立管極為相近，高于5管群其他立管，而在高約化速度下，立管1#、2#的位移曲線走勢(shì)卻區(qū)別于孤立管與其他立管，振幅趨于穩(wěn)定。為了探究這一有趣現(xiàn)象，圖4給出了5管群在Ur=3.36、6.73、10.10時(shí)的橫向位移時(shí)程曲線及無(wú)量綱位移均方根圖。婁敏[14]指出當(dāng)孤立管處于鎖振狀態(tài)時(shí)，約化速度所處的區(qū)間通常為[6.0,7.5]。在Ur=3.36時(shí)，5管群中的邊管1#和5#的振動(dòng)位移較大且規(guī)律，由于其兩邊流場(chǎng)僅受一側(cè)間隙流干擾，在低約化速度時(shí)對(duì)管群中的邊管振動(dòng)影響較小。此外，由于兩側(cè)間隙流破壞了立管規(guī)律的漩渦泄放，導(dǎo)致中間管出現(xiàn)了不同程度的間歇變化。Ur=6.73時(shí)，立管保持穩(wěn)定的大幅振動(dòng)，管群中立管橫向振動(dòng)周期規(guī)律相似且振幅相近，主要原因是鎖振區(qū)間內(nèi)立管振動(dòng)較為劇烈，干涉效應(yīng)及尾流反饋對(duì)立管的橫向振動(dòng)影響較小。同時(shí)，由于管群中各立管互為邊界限制，導(dǎo)致立管的橫向振動(dòng)位移穩(wěn)定且接近。隨著約化速度的繼續(xù)增加，在Ur=10.10時(shí)，立管1#、2#出現(xiàn)了不規(guī)律的間歇振動(dòng)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可以看到其尾渦遭到間隙流的破壞，其余立管尾流的干擾導(dǎo)致立管1#、2#出現(xiàn)相對(duì)于其余立管較小的展向位移，而其余立管仍產(chǎn)生規(guī)律的漩渦泄放。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鎖振區(qū)間內(nèi)5管群各立管的橫向振動(dòng)相互制約，受約化速度影響小，干涉作用對(duì)位移變化不大，位移大小相近。這種制約從立管進(jìn)入鎖振區(qū)間開始持續(xù)保持，并不會(huì)隨著立管跳出鎖振區(qū)間而消失。

圖3 孤立管及5立管群橫向位移均方根值 隨約化速度的變化曲線圖

圖4 Ur=3.36、6.73、10.10時(shí)5立管群橫向位移時(shí)程曲線圖及無(wú)量綱位移均方根沿立管展向變化圖

圖5給出了孤立管及5管群順流向(IL)無(wú)量綱位移均方根值隨約化速度的變化，由圖觀察發(fā)現(xiàn)，5管群立管在Ur≥3.36時(shí)，位移均方根與孤立管類似出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，振動(dòng)位移在5≤Ur≤7時(shí)范圍內(nèi)達(dá)到峰值，隨后出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。Chaplin等[15]指出當(dāng)從一種模式切換到另一種模式時(shí)，立管會(huì)瞬間經(jīng)歷較大的位移偏移，如圖5虛線框部分所示。造成這種現(xiàn)象的主要原因是間隙流干涉及復(fù)雜的尾流反饋?zhàn)饔脤?dǎo)致立管提前跳出鎖振區(qū)間，進(jìn)入模態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域。隨著約化速度的增加，立管振動(dòng)位移再次出現(xiàn)小幅度增加，立管開始以二階模態(tài)為主導(dǎo)振動(dòng)。為此，圖6給出了5管群在Ur=3.36、6.73、10.10時(shí)的順流向位移時(shí)程曲線及展向位移圖。在順流向，由于管間流體的干涉導(dǎo)致立管后方的剪切層出現(xiàn)失穩(wěn)，周期性的漩渦泄放被破壞，5管群立管在低約化速度時(shí)不再表現(xiàn)為周期、規(guī)律性的振動(dòng)，同時(shí)立管兩側(cè)的間隙流干涉使得5管群中間3管的振動(dòng)位移與兩邊管相比較小。通過(guò)分析無(wú)量綱位移均方根圖發(fā)現(xiàn)，5管群中間3立管振動(dòng)位移接近，兩邊管較其余立管振動(dòng)位移略低。當(dāng)Ur=10.10時(shí)，5管群立管的振動(dòng)不再規(guī)律，強(qiáng)烈的間隙流干涉和尾流干涉導(dǎo)致其位移時(shí)程曲線出現(xiàn)了雜亂的振動(dòng)，立管的順流向振動(dòng)位移減小。此外，通過(guò)觀察圖中無(wú)量綱位移均方根發(fā)現(xiàn)，5管群存在明顯的1個(gè)波谷和2個(gè)波峰，表明此時(shí)立管由二階模態(tài)主導(dǎo)，波谷和波峰對(duì)應(yīng)的位置分別稱為“節(jié)點(diǎn)”和“反節(jié)點(diǎn)”。綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，并肩布置下的5管群，間隙流干涉和尾流相互干涉對(duì)其順流向振動(dòng)影響顯著，導(dǎo)致立管順流向振動(dòng)提前跳出鎖振區(qū)間，激發(fā)出高階振動(dòng)模態(tài)。

圖5 孤立管及5立管群順流向位移均方根值隨約化速度的變化曲線圖

圖6 Ur=3.36、6.73、10.10時(shí)5立管群順流向位移時(shí)程曲線圖及無(wú)量綱位移均方根沿立管展向變化圖

基于模態(tài)分解法獲取立管振動(dòng)模態(tài)權(quán)重，可以更加清晰地觀察并肩布置下不同管群的干涉效應(yīng)對(duì)立管振動(dòng)模態(tài)的影響。圖7給出了孤立管及5管群的模態(tài)權(quán)重隨約化速度的變化情況。由圖7可知，5管群橫向模態(tài)權(quán)重變化趨勢(shì)與孤立管類似，始終由一階模態(tài)占據(jù)主導(dǎo)，并在Ur=6.0后變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，但各階模態(tài)所占的權(quán)重大小不同。通過(guò)圖8中3個(gè)約化速度下5管群的時(shí)空位移演化，發(fā)現(xiàn)5管群的結(jié)構(gòu)振動(dòng)相似，均表現(xiàn)為駐波特性。駐波效應(yīng)是振動(dòng)響應(yīng)在時(shí)間上發(fā)生變化的振動(dòng)現(xiàn)象。Ur=6.73時(shí)，立管處于鎖振區(qū)間，駐波行為最明顯，說(shuō)明此時(shí)5管群振動(dòng)強(qiáng)烈?；谝陨戏治隹梢园l(fā)現(xiàn)，立管的振動(dòng)激勵(lì)除了渦激振動(dòng)外，還存在間隙流干涉和尾流反饋，這些復(fù)雜的耦合激勵(lì)由于管間的互相約束，并沒(méi)有對(duì)立管橫向振動(dòng)模態(tài)造成較大的影響，因此5管群的橫向模態(tài)權(quán)重變化相似。

由圖7右圖可以看出，立管順流向模態(tài)權(quán)重與橫向有很大不同：在順流向上，5管群與孤立管的二階模態(tài)權(quán)重隨約化速度增加開始增大，但明顯看出，在試驗(yàn)流速區(qū)間內(nèi)，孤立管在順流向始終由一階模態(tài)占據(jù)主導(dǎo)地位，而5管群在高約化速度下由于間隙流及耦合尾流的影響，主導(dǎo)模態(tài)發(fā)生變化，立管進(jìn)入模態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)間，并逐漸由二階權(quán)重占據(jù)主導(dǎo)。同時(shí)，圖9中順流向3個(gè)約化速度下的位移時(shí)空演化也表現(xiàn)出不同程度的行波特性。行波效應(yīng)是振動(dòng)響應(yīng)在空間和時(shí)間上同時(shí)發(fā)生變化的振動(dòng)現(xiàn)象。由于行波方向的能量傳遞方向始

圖7 孤立管與5立管群沿約化速度變化的模態(tài)權(quán)重散點(diǎn)圖

圖8 Ur=3.36、6.73、10.10時(shí)5管群的橫向位移時(shí)空演化圖

圖9 Ur=3.36、6.73、10.10時(shí)5管群的順流向位移時(shí)空演化圖

終是由高能量區(qū)向低能量區(qū)域，即行波從立管底部向頂部傳播，這就意味著立管的振動(dòng)能量主要集中在底部區(qū)域內(nèi)。當(dāng)Ur=10.10時(shí)，管群渦激振動(dòng)響應(yīng)有輕微的行波行為，是駐波與行波模型的混合，5管群復(fù)雜的尾流耦合激勵(lì)和兩側(cè)間隙流的干涉效應(yīng)疊加，導(dǎo)致立管阻力系數(shù)的大幅度增大，立管振動(dòng)頻率驟增，當(dāng)立管結(jié)構(gòu)承受高階頻率激勵(lì)時(shí)，導(dǎo)致行波效應(yīng)出現(xiàn)。值得注意的是，更高階模態(tài)權(quán)重也隨著約化速度出現(xiàn)小幅度增加，多模態(tài)參與振動(dòng)導(dǎo)致立管更為復(fù)雜。較其他管群更為復(fù)雜的耦合尾流激勵(lì)，是導(dǎo)致5管群更早地跳出鎖振區(qū)間進(jìn)入模態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域的主要原因。

2.2 頻率分析

圖10給出孤立管及5管群橫向主導(dǎo)頻率沿約化速度的變化，由圖可知，孤立管與3.36≤Ur≤8.40時(shí)的5管群無(wú)量綱主導(dǎo)頻率沿約化速度的增長(zhǎng)均遵循斯特勞哈爾定律，而5管群的邊管受干涉效應(yīng)的影響在低約化速度時(shí)出現(xiàn)小幅度增加，在8.40

圖10 孤立管及5立管群橫向主導(dǎo)頻率隨約化速度變化的散點(diǎn)圖

圖11為孤立管及5管群順流向與橫向主導(dǎo)頻率比f(wàn)x/fy隨約化速度的變化散點(diǎn)圖。雖然干涉作用會(huì)影響立管的振動(dòng)頻率，但在鎖振區(qū)間內(nèi)，孤立管和5管群主導(dǎo)頻率仍符合順流向?yàn)闄M向的2倍規(guī)律，這意味著干涉效應(yīng)對(duì)鎖振區(qū)間內(nèi)立管的兩方向的頻率比影響較小。隨著約化速度的增加，5管群中的間隙流加劇立管振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致橫向主導(dǎo)頻率增加，從而立管1#、2#、4#的頻率比降低至1附近，此時(shí)立管兩個(gè)方向發(fā)生同頻振動(dòng)。有趣的是，立管3#、5#卻仍然以頻率比為2∶1振動(dòng)，說(shuō)明雖然橫向頻率出現(xiàn)增加，但順流向的主導(dǎo)頻率會(huì)隨之增加，立管仍然表現(xiàn)出規(guī)律的漩渦泄放，與圖5中立管3#位移時(shí)程曲線相符合。

圖11 順流向與橫向主導(dǎo)頻率比隨約化速度變化的散點(diǎn)圖

2.3 位移軌跡

立管位移軌跡是橫向與順流向振動(dòng)非線性耦合的結(jié)果，圖12給出了孤立管及5管群沿約化速度的位移軌跡圖。由圖12觀察發(fā)現(xiàn)，孤立管在鎖振區(qū)間的位移軌跡呈規(guī)律的“8”字型，此時(shí)立管兩個(gè)方向振動(dòng)滿足頻率比接近2，高約化速度下，孤立管處于模態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)域，軌跡表現(xiàn)為“棒”狀型。5管群中的立管在Ur∈[4.20,6.73]時(shí)呈現(xiàn)出“8”字型振動(dòng)，與孤立管不同的是，該“8”字型的軌跡更加雜亂，這是由管間流體參與導(dǎo)致寬頻、隨機(jī)的立管振動(dòng)響應(yīng)引起的。高約化速度下，受到外部極大激勵(lì)的影響，孤立管位移軌跡逐漸由“8”字型轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍簟睜钚停?管群受到大流速激勵(lì)的同時(shí)，間隙流及尾流的干涉作用導(dǎo)致立管順流向的一階模態(tài)權(quán)重下降、二階振動(dòng)模態(tài)權(quán)重上升，順流向與橫向的頻率比逐漸高于2，立管發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)，振動(dòng)位移軌跡較早出現(xiàn)出“1”字型或“棒”狀型，其中立管3#受到雙重間隙流的影響，較邊管相比尾流受到更嚴(yán)重的破壞，位移軌跡從“8”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”字型時(shí)的約化速度提前。隨著約化速度的增加，間隙流擠壓的高動(dòng)量流體促使5管群出現(xiàn)兩種模態(tài)的重疊區(qū)域，立管出現(xiàn)模態(tài)選擇問(wèn)題，立管的順流向振動(dòng)位移降低，各管的“1”字型位移軌跡開始縮短，逐漸轉(zhuǎn)變成“S”型軌跡，這表明管群間存在的多重尾流和間隙流干涉會(huì)顯著影響立管的振動(dòng)位移軌跡。

圖12 孤立管及5管群立管沿約化速度變化的位移軌跡圖

2.4 干涉率

為了更好地量化干涉效應(yīng)對(duì)5管群渦激振動(dòng)的影響，引入“干涉率(interference ratio,I)”這一概念，其定義為5管群各立管與孤立管位移均方根值的差值與對(duì)應(yīng)約化速度下無(wú)量綱位移均方根的比值。橫向、順流向位移干涉效率分別為Iy、Ix，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

其中：yRMS、xRMS分別為立管群中每個(gè)立管的橫向、順流向位移均方根，y0RMS、x0RMS分別為孤立管橫向、順流向位移均方根。

圖13和圖14分別給出了5立管橫向、順流向兩個(gè)方向的干涉率隨約化速度的變化關(guān)系，其中，由于干涉率為位移敏感參數(shù)，低約化速度時(shí)立管由渦激振動(dòng)產(chǎn)生的位移微弱，輕微的擾動(dòng)可能會(huì)引起干涉率的大幅度變化，所以在后續(xù)的干涉率分析中，該部分不作為主要研究對(duì)象。而由于Ur≥4.20時(shí)的干涉率變化較小，在圖中過(guò)于密集，故在圖13、圖14右子圖給出了放大后的圖形。圖中可知5管群干涉率表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，極低約化速度下正值較大，隨著約化速度的增加，5管群的邊管始終在0附近變化，而中間3管干涉率從正值逐漸下降到負(fù)值，并逐漸趨于穩(wěn)定，最小值接近28%，此時(shí)管間流體對(duì)立管振動(dòng)產(chǎn)生負(fù)反饋效應(yīng)，說(shuō)明在高約化速度時(shí)管群間存在的間隙流干涉和尾流反饋對(duì)邊管影響較小，而對(duì)中間3管持續(xù)存在振動(dòng)加劇干涉，造成這種現(xiàn)象的主要原因是立管兩側(cè)存在的雙重間隙流疊加干涉。

圖13 沿約化速度變化的5立管群橫向干涉率散點(diǎn)圖

圖14 沿約化速度變化的5立管群順流向干涉率散點(diǎn)圖

通過(guò)觀察順流向的干涉率發(fā)現(xiàn)，在低約化速度時(shí)，5管群的干涉率為正值，管群間存在的間隙流干涉和尾流反饋在此約化速度區(qū)間內(nèi)對(duì)立管振動(dòng)產(chǎn)生抑制效果，而在Ur>4以后，由圖14右圖發(fā)現(xiàn)，5管群的干涉率始終穩(wěn)定在[-62%,29%]的范圍內(nèi)，在Ur=5.05后出現(xiàn)下降情況，其中立管3#極為明顯，最大降幅達(dá)到62%，說(shuō)明在此約化速度下，中間管受管間流體及尾流反饋的干涉作用最強(qiáng)。隨著約化速度的增加，5管群的干涉率始終為負(fù)值，說(shuō)明在高約化速度下管群間存在的間隙流干涉和尾流反饋對(duì)管群始終有較大影響。

3 結(jié)論

針對(duì)均勻流下并肩排列5立管渦激振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1) 受干涉效應(yīng)的影響，低約化速度下孤立管與5管群邊管位移大小相近并高于中間3管，而鎖振區(qū)間內(nèi)5管群各立管的橫向振動(dòng)相互制約，位移大小相近。而在順流向，干涉效應(yīng)使得立管提前跳出鎖振區(qū)間，位移出現(xiàn)波動(dòng)變化。

2) 在兩側(cè)間隙流疊加干涉和多重尾流反饋的作用下，5管群更易激發(fā)出更高階模態(tài)，高約化速度下，5管群中部分立管出現(xiàn)兩方向同頻振動(dòng)現(xiàn)象。

3) 由5管群的振動(dòng)軌跡圖發(fā)現(xiàn)，由于多重尾流反饋的影響，5管群的振動(dòng)軌跡不再是循環(huán)的極限環(huán)解，“8”字型振動(dòng)軌跡與孤立管相比更加雜亂。

4) 就5管群立管的干涉率而言，在橫向，管群間存在間隙流干涉和尾流反饋對(duì)邊管影響較小，而對(duì)中間3管持續(xù)存在振動(dòng)加劇干涉；在順流向，高約化速度時(shí)管群間存在的管間流體和尾流反饋對(duì)中間管的干涉作用最強(qiáng)。