【论文推荐】| 端部强迫振动作用下弹性管流-固能量传递与振动特性研究

论文导读与观点概要

1. 研究背景与目的

在"双碳"目标与海洋经济高质量发展的战略驱动下，浮式海洋油气开发正加速向深远海拓展。处于浪流联合作用下的浮式平台，其往复运动会对所连接的海洋立管施加周期性的端部强迫振动，通常会诱发弹性管系统沿横流向的周期性共振响应，进而加剧立管的疲劳损伤，严重威胁海洋输油系统的结构安全与服役寿命。然而，端部横流向强迫振动与涡激自激振动联合作用下，弹性立管沿管轴的流-固耦合能量瞬态传递机制及其与振动特性的耦合关系尚不明确，现有研究多集中于纯涡激振动或单一激励条件下的动力学响应，缺乏对强迫-涡激联合振动过程中流-固能量交换时空演化规律的深入揭示。本研究旨在采用双向流-固耦合数值方法，系统研究端部横流向简谐强迫激励作用下弹性立管的受迫振动问题，重点分析顶端强迫振动的频率与幅值对弹性管振幅包络、显性模态转换以及流-固能量传递的影响规律，阐明端部激励条件下弹性管流-固耦合能量时间均值的空间分布特征及其瞬态值沿管轴传递的演变机制，为海洋输油立管的流-固能量传递机理认知、关键位置疲劳损伤预测及抑制策略设计提供科学参考。

2. 研究方法

本研究基于双向流-固耦合数值模拟方法，采用商用软件STAR-CCM+中的双向流-固耦合求解策略开展仿真研究。流体域方面，基于有限体积理论，采用大涡模拟（LES）方法对三维不可压Navier-Stokes方程进行滤波操作，精确捕捉流场中大尺度涡结构的非定常运动特征；结构域方面，基于有限元法将弹性管运动控制方程离散化，采用Newmark-β法求解顺流向和横流向两个方向的多自由度振动响应。在流-固耦合界面，通过高精度数据映射技术将流体载荷传递至结构域，结构位移场通过任意拉格朗日-欧拉法（ALE）和径向基函数插值算法反馈至流体域的动网格系统，实现双向耦合迭代求解。数值模型基于陈正寿等已有的物理模型试验方案，弹性管总长16 m，外径34.8 mm，抗弯刚度575.6 N·m²，质量比0.82，结构阻尼2.34%，顶张力981 N。计算域顺流向延伸50倍管径，横流向高度30倍管径，近壁面y+<1以满足LES湍流模型的网格密度要求。研究通过正交实验法设计了11组计算工况，涵盖两种横流向强迫振动幅值（AForced=0.2D和0.4D）及六种频率比（k=0、1.0、1.2、1.4、1.6、2.0，其中k为强迫振动频率与涡脱落频率之比），其中k=0为纯涡激振动基准工况。在模态识别方面，采用经验模态分解技术对原始振动信号进行预处理，分离非模态成分后获取瞬态振幅，结合三次样条插值法构建沿管轴的均方根振幅包络分布曲线，并辅以三维位置-频率能量谱进行综合模态辨识。在能量分析方面，基于流-固能量传递分析方法，沿管轴布置160个监测点，获取各监测段的时域速度数据及升阻力系数脉动值，构建时均能量传递系数空间分布曲线，并结合时-空变化云图分析振动能量沿管轴的瞬态传递规律。

3. 主要结果

运动响应与模态特性：顶端横流向强迫振动可显著增大弹性管的振动响应幅度。当频率比递增时，横流向上显性振动模态发生明显变化——在AForced=0.2D工况下，频率比k从1.0增至2.0时，横流向显性模态依次呈现一阶、二阶、一阶的交替变化；在AForced=0.4D工况下，横流向RMS A/D最大值较纯涡激振动工况提升约69%，且振型表现为显性二阶振动。当横流向振动能量相对充盈（RMS A/D>0.4）时，部分盈余能量会传递至顺流向，激发出更高阶的顺流向振动模态，表明横流向与顺流向振动响应之间存在显著的耦合作用。

时均流-固能量传递：从时间统计角度分析，纯涡激振动工况下流体输入的能量可被全部利用（能量利用率100%），实现了能量利用效率的最大化；施加小幅度（AForced=0.2D）顶端横流向强迫振动后，时均耗散区域略有增加，能量利用率在78.57%~95.00%之间波动；而较大幅度（AForced=0.4D）的横流向端部强迫振动使管轴大致呈现以耗散区为主的态势，能量耗散率显著上升至47.06%~80.00%，同时能量盈余得到显著提升，表明大幅度强迫振动大幅增强了外来输入能量。

瞬态流-固能量传递与时空演化：振动能量沿管轴随行波自上而下传递。低幅强迫振动（AForced=0.2D）时，连续性行波频发且传播距离较长，能量输入与耗散集中且呈现周期性的正负交替变化，瞬时耗散区从管端向管中段扩展，行波传播速度均值约21 m/s，远大于纯涡激振动诱发的10 m/s；较高幅度强迫振动（AForced=0.4D）时，流体持续向弹性管输能，转变为高阶时模态能耗增加，盈余能量的减少致使流-固能量传递呈现不规则且无周期性的混沌特征；当强迫振动幅值保持不变时，频率变化对流-固能量交换影响较小。

流体力系数特性：强迫振动频率比k>1.0时，沿管轴向阻力系数不再均匀分布，局部极值之间的差距越发显著，说明强迫-涡激耦合振动放大了阻力对弹性管的正向激励作用。升力系数在弹性管上半段的分布明显大于下半段，管顶简谐强迫振动能够改变自由液面处水质点的速度与方向，造成升力的非线性分布。

4. 结论

本研究通过系统的双向流-固耦合数值仿真，揭示了端部横流向强迫振动作用下弹性立管的运动响应、模态转换及流-固能量传递的耦合机制。研究表明：（1）顶端横流向强迫振动可显著增强弹性管的振动响应，频率比递增会引发横流向显性模态的交替变化，且能量盈余时部分能量会传递至顺流向，横流向与顺流向之间的耦合作用随之加强；（2）时均能量传递特性受强迫振动幅值调控显著——纯涡激振动时能量可被全部利用，小幅度强迫振动使耗散区略增，较大幅度强迫振动使管轴以耗散区为主且能量盈余显著提升；（3）瞬态能量传递沿管轴随行波传播，低幅强迫振动下能量输入与耗散呈周期性正负交替且耗散区向管中段扩展，较高幅强迫振动下流-固能量传递变得不规则且无周期性，而频率变化在幅值固定时对能量交换影响较小。仿真结果表明，强迫振动频率比递增会显著影响弹性管两自由度的模态振动响应以及流-固能量特性，研究成果对实际海洋工程中弹性立管横流向动力特性解析具有参考价值，尤其在关键位置疲劳损伤预测与抑制策略设计方面提供了重要的理论支撑。

相关图表

本文引用格式：陈正寿, 陈妍. 端部强迫振动作用下弹性管流-固能量传递与振动特性研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 1-16.  (CHEN Zhengshou, CHEN Yan. Research on fluid⁃structure energy transfer and vibration characteristics of a flexible pipe subject to top-end forcing excitation[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 1-16.  (in Chinese)）

作者简介：   

陈正寿，山东青岛人，中韩双博士，浙江海洋大学教授。主要从事船舶与海洋结构物振动与水动力分析的研究，主持省部级及以上课题12项，发表论文60余篇。曾入选浙江省“万人计划”特支人才、浙江省高校高层次拔尖“领军人才”、浙江省“杰出青年”基金获得者、浙江省优秀科技工作者。现为SCI期刊《International Journal of Naval Architectureand Ocean Engineering》编委。

参考文献

1

CHEN Z S， WANG S. Temporal-spatial analysis on multi-mode interaction of a flexible pipe subject to external current and internal flow［J］. Ocean Engineering， 2023， 280： 114671.

2

BAO J， CHEN Z S. Vortex-induced vibration characteristics of multi-mode and spanwise waveform about flexible pipe subject to shear flow［J］. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering， 2021， 13： 163-177.

3

XU W H， LI Y H， JIA K， et al. FIV induced fatigue damage of two side-by-side flexible cylinders in a uniform flow［J］. Ocean Engineering， 2020， 217： 107898.

4

杨文武. 海洋立管流致振动预测模型及非线性动力学研究［D］. 成都： 西南石油大学， 2018.

YANG W W. Research on the prediction model and nonlinear dynamic response for flow-induced vibration of marine riser［D］. Chengdu： Southwest Petroleum University， 2018. （in Chinese）

5

FU B W， WAN D C. Numerical study of vibrations of a vertical tension riser excited at the top end［J］. Journal of Ocean Engineering and Science， 2017， 2（4）： 268-278.

6

朱红钧， 刘文丽， 高岳. 平台运动对柔性立管涡激振动影响的实验研究［J］. 力学学报， 2024， 56（3）： 565-576.

ZHU H J， LIU W L， GAO Y. Experimental study of the influence of platform motion on the vortex-induced vibration of a flexible riser［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2024， 56（3）： 565-576. （in Chinese）

7

ZHOU K， NI Q， DAI H L， et al. Nonlinear forced vibrations of supported pipe conveying fluid subjected to an axial base excitation［J］. Journal of Sound and Vibration， 2020， 471： 115189.

8

WANG J L， DUAN M L， HE R Y. A nonlinear dynamic model for 2D deepwater steel lazy-wave riser subjected to top-end imposed excitations［J］. Ships and Offshore Structures， 2018， 13（3）： 330-342.

9

LI X M， CAO X， LI F H， et al. Coupled cross-flow/in-line vortex-induced vibration responses of a catenary-type riser subjected to uniform flows［J］. Journal of Ocean University of China， 2024， 23（5）： 1202-1212.

10

KANG Z， ZHANG C， CHANG R. A higher-order nonlinear oscillator model for coupled cross-flow and in-line VIV of a circular cylinder［J］. Ships and Offshore Structures， 2018， 13（5）： 488-503.

11

LEONTINI J S， STEWART B E， THOMPSON M C， et al. Wake state and energy transitions of an oscillating cylinder at low Reynolds number［J］. Physics of Fluids， 2006， 18（6）： 067101.

12

SONG L J， FU S X， DAI S Y， et al. Distribution of drag force coefficient along a flexible riser undergoing VIV in sheared flow［J］. Ocean Engineering， 2016， 126： 1-11.

13

REN H J， ZHANG M M， WANG Y F， et al. Drag and added mass coefficients of a flexible pipe undergoing vortex-induced vibration in an oscillatory flow［J］. Ocean Engineering， 2020， 210： 107541.

14

RIGO F， ANDRIANNE T， DENOËL V. Generalized lift force model under vortex shedding［J］. Journal of Fluids and Structures， 2022， 115： 103758.

15

宋梦杰， 任浩杰， 张晓灵， 等. 基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究［J］. 海洋工程， 2023，41（3）： 14-26.

SONG M J， REN H J， ZHANG X L， et al. Time-domain prediction method of bidirectional vortex-induced vibration for marine riser based on energy competition force model［J］. The Ocean Engineering， 2023，41（3）： 14-26. （in Chinese）

16

王一凡， 陈正寿. 倾斜细长弹性管涡激振动特性研究［J］. 海洋工程， 2025， 43（5）： 26-38.

WANG Y F， CHEN Z S. Study on the vortex-induced vibration characteristics of an inclined slender flexible pipe［J］. The Ocean Engineering， 2025， 43（5）： 26-38. （in Chinese）

17

JIANG H Y， JU X Y， ZHAO M， et al. Large-eddy simulation of vortex-induced vibration of a circular cylinder at Reynolds number 10 000［J］. Physics of Fluids， 2024， 36（8）： 085113.

18

HUANG K， CHEN H C， CHEN C R. Vertical riser VIV simulation in sheared current ［J］. International Journal of Offshore and Polar Engineering， 2012， 22（2）：ISOPE-12-22-2-142.

19

陈正寿. 柔性管涡激振动的模型实验及数值模拟研究［D］. 青岛： 中国海洋大学， 2009.

CHEN Z S. Model test and numerical simulation about flexible pipe systems subject to vortex-induced vibration［D］. Qingdao： Ocean University of China， 2009. （in Chinese）

20

CHEN Z S， LIU F S， WANG L P， et al. Empirical modeless decomposition and modal identification method for nonstationary vibration processes［J］. Ocean Engineering， 2016， 123： 291-302.

21

CHEN Z S， RHEE S H. Effect of traveling wave on the vortex-induced vibration of a long flexible pipe［J］. Applied Ocean Research， 2019， 84： 122-132.

22

CHEN Z S， WANG S， JIANG X. Effect of wake interference on vibration response of dual tandem flexible pipe［J］. Ocean Engineering， 2023， 269： 113497.

23

NORBERG C. Flow around a circular cylinder： aspects of fluctuating lift［J］. Journal of Fluids and Structures， 2001， 15（3/4）： 459-469.

24

VANDIVER J K， JAISWAL V， JHINGRAN V. Insights on vortex-induced， traveling waves on long risers［J］. Journal of Fluids and Structures， 2009， 25（4）： 641-653.

25

BOURGUET R， KARNIADAKIS G E， TRIANTAFYLLOU M S. Distributed lock-in drives broadband vortex-induced vibrations of a long flexible cylinder in shear flow［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2013， 717： 361-375.

26

及春宁， 邢国源， 张力， 等. 倾斜流作用下柔性立管涡激振动的数值模拟［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2018， 39（2）： 324-331.

JI C N， XING G Y， ZHANG L， et al. Numerical simulations of vortex-induced vibration of flexible riser subjected to inclined flow［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2018， 39（2）： 324-331. （in Chinese）

27

李非凡， 及春宁， 许栋， 等. 细长柔性立管涡激振动的数值模拟研究［J］. 工程力学， 2017， 34（4）： 221-230.

LI F F， JI C N， XU D， et al. Numerical investigation on the vortex-induced vibration of a flexible slender riser［J］. Engineering Mechanics， 2017， 34（4）： 221-230. （in Chinese）

28

CHEN Z S， RHEE S H. Instantaneous multi-mode identification and analysis of vortex-induced vibration via a mode decomposition method［J］. Applied Ocean Research， 2019， 93： 101962.