Page 244 - 《振动工程学报》2026年第5期

1448 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

法，预报不同外流和内流作用下的输液立管的涡激 与气液相分析。因此，本文拟将弹性管外流作用下
振动响应。结果表明，内输流的存在会使立管涡激 气液混输两相流这一复杂实际工程问题简化为基础
振动呈现出更显著的行波现象；涡激振动响应幅值 物理问题，通过建立双向流-固耦合数值模型，开展
和主导模态随着内流流速的增大而增大。CHEN 等 [4] 概化数值模拟试验 [16] 。结合均方根振幅、时间-频率
对内/外流耦合作用下弹性管的多模态涡激振动响 的希尔伯特谱（TFE-HS）等分析方法，同时开展了内/
应开展了数值研究，揭示了内流密度变化对弹性管 外流体力联合作用机制分析，以探讨不同气液比下，
振动的影响，数值结果表明弹性管顺流向静态偏移 段塞流弹性管流致振动响应特性。旨在揭示弹性管
量会随内流密度的增加而增大。MENG 等 [5] 对含单 在外部均匀流和内部段塞流共同作用下弹性管振动
相输流的弹性管在亚临界雷诺数下的涡激振动进行 响应机理，为真实海况中海洋管道设计和安全评估
研究，发现内流速变化会显著影响管体的振动响应 提供一定的参考。

幅度，同时会激发弹性管其他潜在的振动模态。LOU
等 [6] 通过试验研究了弹性管模型在内/外流耦合作用 1 数 值 方 法 与 计 算 模 型
下的动态响应，发现管内流体速度增加时，弹性管振
动幅度呈现上升趋势，而振动频率则逐渐减小。 本文通过 STAR-CCM+计算流体力学软件，对均
上述研究均将管内流体视作单一、稳定的输流 匀来流作用下含段塞内流弹性管开展双向流-固耦
状态，而海洋弹性管内通常需承载气液混和输流，其 合数值研究。

中最常见的流型是段塞流。对于含段塞内流弹性管
流致振动问题，段金龙等 [7] 针对立管等管线的严重 1.1 数值模型与边界条件
段塞流问题，提出了一维瞬态分相理论预测模型，用
本文基于 LEHN [17] 的细长黄铜管试验模型开展
于实时判别严重段塞流的周期、含气率等流动特性
数值仿真计算。该试验模型采集的压力-应变时序
参数。高岳等 [8] 利用高速摄像非介入同步采集柔性 信号数据已被相关学者应用于弹性管流-固耦合涡
立管的振动位移及管内两相流动特性，发现弹性管
激振动相关的准确性验证及数值计算当中 [18-19] 。数
的振动主要发生在平面内，且两个方向的振动相互
值仿真所采用的管模型参数与关联的模型试验实物
关联，模态转换在时间上同步，但在空间上存在差
完全一致，具体信息如表 1 所示。图 1 为本文数值
异。WANG 等 [9] 通过试验和数值模拟研究了水平管
模拟的模型示意图。其中外流域设定为长方体，管
在段塞流作用下的动态特性，得出段塞混合体的流
体 轴 线 与 流 场 速 度 入 口 和 顶 部 边 界 的 距 离 均为
速是影响流致振动的关键因素，会对弹性管振动响
15D（D 为圆柱体直径），与出口边界距离为 35D。本
应及最大位移产生显著影响。LI 等 [10] 建立了改进
表 1 立管模型参数
的尾流振子模型，探究了弹性管在剪切外流中输送
Tab. 1 Pipe model parameters
剧烈段塞流时涡激振动响应特性，结果表明当外部
参数 数值
剪切流速较小且主振模态不变的情况下，位移均方
长度/m 9.63
根幅值降低。ZHOU 等 [11] 基于 Euler-Bernoulli 梁方程， 外径/mm 20
建立了含段塞内流倾斜管道模型，发现由段塞流的 壁厚/mm 0.45
间歇性引起的固有频率波动随着倾角的增大而减 杨氏模量/(N·m ) 1.025×10 11
−2
小。朱红钧等 [12] 开展了段塞流通过柔性跳接管时的 长径比 482
流致振动试验，发现由段塞流引起的管体振动主要 顶张力/N 817
发生在顺流向上，当管内气体表观流速增大时，振幅
也随之增大。 15D 15D 35D
以上研究主要基于非线性动力学模型构建与物 速度入口 15D
理试验，而关于外流与段塞内流联合作用下大长径 B
比弹性管流致振动的数值研究仍较为有限。对于段 g 压力出口
塞流这种时变性明显的混合流体，采用数值仿真能 L=9.63 m
更好地捕捉到瞬态流动的局部细节、气液段塞流相 A
界面的结构特征。STAR-CCM+提供了双向流-固耦 Z Y
合解决方案，在大长径比弹性管多相流和流致振动 O X

分析领域已有不少成功的尝试 [13-15] ，可以用于本文涉 图 1 计算模型示意图
及的弹性管外均匀流、内段塞流耦合作用下的振动 Fig. 1 Schematic of calculation model