海洋立管涡激振动的研究现状_热点与展望

海　　洋　　学　　研　　究

JOURNAL OF MARINE SCIENCES

Vol.27　No.4

Dec .,2009

文章编号:10012909X (2009)0420095207

收稿日期:2008210218

作者简介:黄旭东(1969-),男,天津市人,副教授,主要从事工程测量及海岸结构物设计理论研究。

海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望

黄旭东1,张　海1,2,王雪松1

(1.天津城市建设学院土木工程系,天津　300384;2.天津大学建筑工程学院,天津　300072)

摘　要:随着深海油气资源的开采,越来越多的研究者开始关注海洋立管的涡激振动问题。在海洋环境下,洋流是海洋立管的涡激振动的主要原因。当洋流流经立管时会在立管的两侧产生交替的泄涡,导致立管受到横流向和顺流向的脉动流体力。这被认为是海洋立管涡激振动的主要诱因。海洋立管的涡激振动是一个异常复杂的工程问题,它涉及许多科学上悬而未决的难题,如紊流、流动分离、分离点的漂移等等。此外,事先无法确定的立管的位置和立管与洋流之间的相互作用又大大增加了解决这一问题的难度。尽管近几十年里科学界在此方面做了大量的研究工作,一个能够准确、高效、经济地预报海洋立管涡激振动的方法仍然没有得到。即便如此,最近的研究工作依然在许多方面作出了突出的成就。首先介绍了涡激振动的背景知识和基础理论。随后,回顾了近年来海洋立管涡激振动方面的研究成果。接着,重点介绍了当前海洋立管涡激振动领域内的两个热点研究问题,即:在多大程度上立管的顺流向振动能够影响立管的横流向振动,以及尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动响应的。最近的研究发现,当结构与流体的质量比小于6时,顺流向振动能显著增大横流向振动的振幅。最近的研究还发现,立管尾流的三维特性和立管受到流体力的轴向相关度有密切关系。随着流动的发展(海流折合速度从0增加到12),立管尾流的三维特性发生变化,在初期,立管尾流的三维特性不明显,流体力的轴向相关度基本等于1,也就是说,流体力和立管的位移响应是同步的,因此能量不断地由海流向立管转移,导致立管的振幅不断增大。当海流折合速度大于6时,流体力的轴向相关度由1锐减到负值,此时,立管尾流的三维效应显著。最后针对今后海洋立管的涡激振动的研究提出一些建议。

关键词:涡激振动;海洋立管;综述

中图分类号:TE53　　　　　　文献标识码:A

0　引言

在陆地石油资源开采日渐萎缩的今天,加速开发海洋石油资源已经成为世界各国的共识。据不完全统计,世界海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%,全球海洋石油蕴藏量约为1000多亿t ,其中已

探明的储量约为380亿t 。在我国300多万km 2的蓝色国土中,约有360亿t 石油资源量。其中,我国南海是世界4大海洋油气资源带之一,其石油储量约为230～300亿t ,号称全球“第二个波斯湾”。

海洋立管是深海石油生产系统的关键组成部分,

它是联系水面平台装置和海底设备的重要通道。因此,准确计算出海洋立管在实际海洋环境中受到的载荷,及其在荷载作用下的动力响应,具有重要的经济价值和社会效益。在海洋环境中,激发立管振动响应的主要因素是海流引起的涡激振动(Vortex 2induced Vibration ,V IV )。当海流流经立管时,会在立管两侧的尾流区发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联,立管受到横流向及顺流向的脉动水压力作用后将引发振动。在海流引发交替泄涡导致立管振动的同

海洋立管的涡激振动涉及许多科学上的难题,如紊流、流动分离、剪切层的不完全转捩以及分离点的漂移等,且流体运动与未知结构响应的高度耦合更增加了解决这一问题的难度,至今学术界尚未彻底解决这一难题。海洋立管涡激振动响应的机理研究一直是海洋工程领域中的重要前沿课题。

1　国内外的研究现状

经过数十年对涡激振动的研究,学术界虽然还未把握涡激振动的机理,但仍取得了许多阶段性的成果,构成了当今涡激振动研究的基石。从研究方法上来分,涡激振动的研究主要有模型实验研究、经验模型研究和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究。

涡激振动研究是从实验研究开始的。在过去的近半个世纪中,许多学者都研究过弹性支撑柱体(多数为圆柱体)自激振动的运动和动力特性,其中影响最为广泛的是FEN G[1]在风洞中对单自由度弹性支撑的圆柱体所做的实验;随后,更多的研究者[2-4]在水槽中完成了类似的实验,得到了当前工程界更为关注的以海洋立管为代表的低质量比(m3)(结构与所排开水的质量之比)和低阻尼比(ξ)的圆柱体的涡激振动特性。最近,KHAL A K et al[5-6]、GOVA RD2 HAN et al[7-8]对低质量比弹性支撑的刚性圆柱体做了一系列实验,这些实验代表了当前圆柱体结构物涡激振动实验的最高水平。

在经验模型方面,HA R TL EN et al[9]开创性地建立了弹性支撑柱体涡激振动的横流向振动响应以及流体力的经验模型———尾流振子模型。随后, S KOP et al[10-11]对此尾流振子模型进行扩展,将其应用到柔性细长柱体的涡激振动研究中。近年,又有学者[12-13]对其进行了修正与改进。在国内,GUO et al[14-15]、郭海燕等[16]考虑了立管内流对立管涡激振动的影响,对尾流振子模型进行了改进。

在数值模拟方面,按照不同的紊流模型,涡激振动的CFD模拟方法可以大体分为4类:离散涡(DVM)方法[17-18]、RANS方法[19-21]、L ES方法[22-23]以及DNS 方法[24-25]。在这些方法中,DNS方法的精度最高,但其计算效率最低,对工程应用来讲明显不合适。当前可行的方法是通过使用RANS方法(结合适当的紊流模型)和L ES方法(采用适当的亚网格尺度模型),在保证一定计算效率的前提下,开发出满足工程应用的程序。除了紊流模拟,CFD方法还面临着另一个重要的问题———动边界技术问题。柱体的涡激振动意味着计算流场边界的变动,现在普遍采用的处理动边界的方法是使用可变形的Lagrangian网格[26]。然而,由于此类方法需要每计算一个时间步长生成一次网格,因此需要耗费相当多的计算时间。兼顾效率与精度的处理方法是采用固定的Eulerian网格,但需引入特定的方法来模拟流体与结构之间的相互作用。在此方面,比较成功的当属Fictitious Domain met h2 od(FDM)方法[27-29]和Immersed Boundary met hod (IBM)方法[30-31]。

2　存在的问题及发展动态

当前,海洋立管涡激振动机理研究的热点主要集中在两个方面:海洋立管的顺流向振动和海洋立管尾流的三维效应对其振动响应的影响。

如果不海洋立管涡激振动响应的自由度,那么其会在相对于来流方向的横流向和顺流向两个方向上发生振动。一般认为,立管的顺流向振动频率是横流向的2倍,且顺流向振动的振幅比横流向的小1个数量级。以往的大部分研究均忽略了立管的顺流向振动,仅针对立管作横流向振动的情况进行研究。这样做使问题处理起来相对简单,而顺流向振动究竟在多大程度上改变立管的振动响应,学术界对此还存在许多争论。近期,J AUV TIS et al[32]对横流向和顺流向具有相同质量比(m3)和固有频率(f n)的弹性支撑圆柱体进行了涡激振动实验,实验时雷诺数为1000～6000。结果表明,即便当质量比降到1时,考虑顺流向振动的圆柱体的横流向振动最大响应振幅仅仅比不考虑时增大10%,即无量纲横流向振动最大响应振幅(A3V=A V/D)约为1.1(以往的仅考虑横流向振动的研究表明,由于涡激振动具有自限性,无论如何改变质量比和阻尼参数,无量纲横流向涡激振动振幅的最大值约为1.0,其中A V为结构的横流向振幅,D为结构的直径)(图1)。需要说明的是,涡激振动的最大振幅决定了结构的最大响应应力,是评估结构疲劳破坏的重要参数。此外,J AUV TIS et al[32]的实验还发现,无量纲顺流向振动的最大幅值(约为0.1)出现在折合速度(U r)为3.5的附近,且有两个峰

・

6

9

・海　洋　学　研　究27卷4期m3=6.9,(m3+C A)ξ=0.015

●仅考虑横流向振动;○考虑横流向和顺流向振动

图1　两向自由度弹性支撑柱体的A3V、A3x及无量纲横流向振动频率(f3V)与U r的关系曲线[32]

Fig.1　A22DOF elastically2mounted cylinder amplitudes (A3V and A3x)and dimensionless cross2flow f requency(f3V)

versus reduced velocity(U r)[32]

值;无量纲横流向振动的最大幅值出现在U r为7的附近;顺流向振动频率是横流向的2倍,且顺流向振动的最大幅值与横流向振动的最大幅值在折合速度的意义上相距较远,两者之间的相互影响较小;这些均和传统的观点一致。因此,J AUV TIS et al[32]认为顺流向振动可以被忽略,以前针对仅横流向振动的弹性支撑圆柱体涡激振动实验所建立的结论:“无量纲横流向振动最大响应振幅值约为1.0”依然成立。然而,WILL IAMSON et al[33]经过对更高的雷诺数(1000～15000)的情况进一步研究后,将其结论修改为:考虑顺流向和横流向振动时,在m3大于等于6时,圆柱体的涡激振动与传统的观点相同;当m3小于6时,圆柱体的无量纲顺流向振动最大响应振幅值(A3x)约为0.3,无量纲横流向振动最大响应振幅值(A3V)约为1.5,远远超过仅考虑圆柱体横流向振动时的最大响应幅值(约为1.0)。此外,实验还发现了区别于传统观点的尾涡结构———2T尾涡结构。一般认为,涡激振动的尾涡具有3种结构,它们分别是2S、2P和2C。2S和2P尾涡结构是在仅考虑横流向振动的涡激振动实验中被发现的,而2C是在考虑圆柱体回转的涡激振动实验中被发现的[34]。此次实验发现,考虑顺流向振动时,尾涡出现了两对逆向旋转的涡群,每个涡群由两个小涡和1个大涡构成,这种尾涡结构被称为2T尾涡结构(图2)。最近,DA HL et al[35]为了考虑更符合真实海洋环境下立管的特性,采用不同的m3值和不同的顺流向固有频率(f x)与横流向固有频率(f V)的比值(1.0～1.9)以及大范围的雷诺数(11000～60000)进行实验。结果表明,圆柱体涡激振动的最大A3V值约为1.35,最大A3x值约为0.6,且横流向和顺流向的最大响应幅值出现在相同的折合速度范围之内(图3)。从图3中可以看出,与仅考虑横流向振动的情况相比,横流向最大响应幅值大大增加,顺流向最大响应幅值不再是小值,且两者几乎同时出现(这与以前进行过的所有涡激振动实验得到的结论均不相同),这大大增加了立管发生疲劳破坏的可能性。此外,实验还发现,随着顺流向和横流向固有频率比值的增加,最大响应幅值的出现有向更高折合速度推延的趋势。当f x/f V为1.9时,横流向振动幅值曲线出现了两个峰值,但最大幅值较小。由以上的对比和分析可以看出,学术界在顺流向振动对立管最大响应幅值的影响到底有多大以及如何影响还存在较大的分歧,一个全面、深入的解答还远未达到

。

图2　4种不同的尾涡结构[33]

Fig.2　The set of vortex wake modes[33]

立管周围的泻涡与尾流具有三维和随机的特性,固定的圆柱绕流实验已经证实了这一点[36]。但一般认为,立管的振动削弱了泻涡和尾流的三维特性,迫

・

7

9

・

黄旭东等:海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望

●横流向振幅;×顺流向振幅;+横流向振动频率;*顺流向振动频率

图3　不同顺流向和横流向固有频率比下的两向自由度弹性支撑柱体无量纲振幅(a )和频率(b )与U r 的关系曲线[35]

Fig.3　Amplitude of a 22DOF elastically 2mounted cylinder dimensionless amplitude (a )and oscillation f requencies (b )versus reduced velocity (U r )for different f requency ratios [35]

使尾流流向与立管轴向基本一致,此时的流场可以看

作是准二维的。以往的大部分研究及结论都是在二维条件下进行和得到的。二维简化虽然可以降低模型实验和数值模拟的难度,但一旦三维效应不可忽视时,二维简化就将出现问题。由于流体力沿立管轴向的相关度与尾流的三维效应密切相关,较高的相关度意味着流场可以近似为二维,流体力的驱动作用与圆柱体的响应高度统一,随机特性被抑制;较低的相关度意味着尾流的三维特性不可忽视,流体力和立管的运动彼此影响,但未达到统一,随机特性被放大,因此可以采用流体力的轴向相关度来考察难以量化和观察的尾流三维特性对立管振动响应的影响。HOV 2ER et al [37]采用新颖的力反馈装置,着重考察了振荡圆柱体尾流的三维效应以及流体力沿轴向的相关度,他们的工作主要体现在图4中。从图4可以看出,在涡激振动的初期、系统达到最大响应幅值之前,

流体

m 3=3.0;m 3ξ=0.1;Re =3.05×104

图4　自由圆柱体的振动响应[(a )无量纲振幅A/D 1/10、

(b )升力系数C l 、(c )升力2位移之间的相位角φ(°)、

(d )升力轴向相关系数F c ]随U r 的变化[37]

Fig.4　Response of a f reely vibrating cylinder versus reduced velocity (U r ).(a )dimensionless amplitude to diameter ratio A/D 1/10;(b )lift coefficient C l ;(c )phase angle φ(°

)between lift force and cylinder displacement ;(d )correlation

coefficient of end lift forces F c [37]

力的轴向相关度基本保持在1附近,此时泻涡和尾流

的三维和随机特性不明显;随后,流体力的轴向相关度在系统取得最大响应幅值的位置出现陡降,此时泻涡和尾流的三维效应明显,随机特性被放大,流体力与位移之间的相位角发生180°的切换,流体力由驱动系统振动变为抑制系统振动;最后,流体力轴向相关度重新上升,泻涡与尾流的稳定结构重新恢复。由此可见,泻涡和尾流的三维效应与结构的最大响应幅值密切相关,尾流的三维效应了结构响应振幅的进一步增长。然而,从机理上进一步解释尾流的三维效应是如何影响立管的涡激振动的,至今仍未有答案出现。

3　小结与展望

立管的涡激振动是一个十分复杂的耦合过程,近期的研究发现了许多与人们长期以来形成的观念相

・

・海　洋　学　研　究27卷4期

当前海洋立管涡激振动研究亟需进行的工作主要包括以下几个方面:

(1)深入分析顺流向振动对于立管最大响应振幅的影响。考察顺流向振动对于尾涡结构的影响,全面分析在何种条件下会产生何种尾涡结构,以及此尾涡结构通过何种途径影响立管的涡激振动响应。

(2)着重研究尾流的三维效应和随机特性对立管涡激振动的影响。考察流体力轴向相关度与尾流三维效应之间的联系,以及流体力相关度在最大响应振幅位置出现陡降现象背后的机理。研究尾流三维效应如何结构响应振幅进一步增长等现象及其机理。

(3)进行更加全面、深入的模型实验和数值模拟研究,并结合已有的研究成果,对海洋立管涡激振动的内在机理给出更加合理、全面、深入的解释,沟通当前不同研究成果之间的分歧,为进一步研究海洋立管涡激振动提供更为坚实的基础。

参考文献:

[1]FEN G C C.The measurement of vortex induced effect s in flow

past stationary and oscillating circular and d2section cylinders[D].

Canada:Masterπs Thesis,Depart ment of Mechanical Engineer2 ing,University of British Columbia,1968.

[2]SARP KA YA T.Fluid forces on oscillating cylinders[J].Journal

of Waterway Port Coastal and Ocean Division ASCE,1978,104: 275-290.

[3]MO E G,WU Z J.The lift force on a cy1inder vibrating in a cur2

rent[J].ASCE Journal of Off shore Mechanics and Arctic Engi2 neering,1990,112:297-303.

[4]GOPAL KRISHNAN R.Vortex induced forces on oscillating bluff

cylinders[D].MA,USA:Thesis,Depart ment of Ocean Engi2 neering,MIT,Cambridge,1993.[5]KHALA K A,WILL IAMSON C H K.Dynamics of a hydroelastic

cylinder wit h very low mass and damping[J].Journal of Fluids and Structures,1996,10:455-472.

[6]KHAL A K A,WILL IAMSON C H K.Motions,forces and mode

transitions in vortex2induced vibrations at low mass2damping[J].

Journal of Fluids and Structures,1999,13:813-851.

[7]GOVARD HAN R,WILL IAMSON C H K.Modes of vortex for2

mation and frequency response for a freely vibrating cylinder[J].

Journal of Fluid Mechanics,2000,420:85-130.

[8]GOVARD HAN R,WILL IAMSON C H K.Resonance forever:

existence of a critical mass and an infinite regime of synchroniza2 tion in vortex2induced vibration[J].Journal of Fluid Mechanics, 2002,473:147-166.

[9]HAR TL EN R T,CU RRIE I G.Lift2oscillator model of vortex2

induced vibration[J].ASCE Journal of t he Engineering Mechan2 ics,1970,96:577-591.

[10]SKOP R A,GRIFIN O M.A model for t he vortex2excited re2

sponse of bluff cylinders[J].Journal of Sound and Vibration, 1973,27:225-233.

[11]SKOP R A,GRIFIN O M.On a t heory for t he vortex2excited

oscillations of flexible cylindrical structures[J].Journal of Sound and Vibration,1975,41:263-274.

[12]KIM W J,PER KINS N C.Two2dimensional vortex2induced vi2

bration of cable suspensions[J].Journal of Fluids and Struc2 tures,2002,16:229-245.

[13]FACCHIN ETI M L,DE LAN GRE E,BIOLL EY F.Coupling of

structure and wake oscillators in vortex2induced vibartions[J].

Jounral of Fluids and Structures,2004,19:123-140.

[14]GUO H Y,WAN G S Q.Dynamic characteristics of marine ris2

ers conveying fluid[J].China Ocean Engineering,2000,14(2): 153-160.

[15]GUO H Y,WAN G Y B,FU Q.The effect of internal fluid on

t he response of vortex2induced vibration of marine risers[J].

China Ocean Engineering,2004,18(1):11-20.

[16]郭海燕,傅强,娄敏.海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命

研究[J].工程力学,2005,22(4):220-224.

[17]STANSB Y P K,SLAOU TI A.Simulation of vortex shedding

including blockage by t he random2vortex and ot her met hods[J].

International Journal of Numerical Met hods in Fluids,1993,17: 1003-1013.

[18]MEN EGHINI J R,BEARMAN P W.Numerical simulation of

high amplitude oscillatory2flow about a circular cylinder using a discrete vortex met hod[J].Journal of Fluids and Structures, 1995,9:435-455.

[19]KORPUS R,J ON ES P,OA K L E Y O,et al.Prediction of Vis2

cous Forces on oscillating Cylinders by Reynolds2Averaged Navi2 er2Stokes solver[C]//Proceeding of t he10t h International Off2 shore and Polar Engineering Conference.[S.I.]:[s.n],2000: 471-477.

[20]GUL MIN EAU E,QU EU TEY P.Numerical simulation of vor2

tex2induced vibration of a circular cylinder wit h low mass2damp2

・

9

9

・

黄旭东等:海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望ing in a turbulent flow[J].Journal of Fluids and Structures, 2004,19:449-466.

[21]潘志远.海洋立管涡激振动机理与预报方法研究[D].上海:上

海交通大学,2006.

[22]TU TAR M,HOLDO A E.Large Eddy Simulation of a smoot h

circular cylinder oscillating normal to a uniform flow[J].ASME Journal of Fluids Engineering,2000,122:6942702.

[23]AI2J AMAL H,DAL TON C.Vortex induced vibrations using

large eddy simulation at a moderate Reynolds number[J].Jour2 nal of Fluids and St ructures,2004,19:73-92.

[24]EVAN GEL INOS C,L UCOR D,KARNIADA KIS G E.DNS2

derived force distribution on flexible cylinders subject to vortex2 induced vibration[J].Jounral of Fluids and Struct ures,2000,14: 429-440.

[25]L UCOR D,KARNIADA KIS G E.Effect s of oblique inflow in

vortex2induced[J].Flow,Turbulence and Combustion,2003, 71:375-3.

[26]SCHUL Z K,KALL INDERIS Y.Unsteady flow structure inter2

action for incompressible flows using deformable hybrid grids [J].Journal of Computational Physics,1998,143:569-597. [27]G LOWINSKI R,PAN T W,H ESLA T I,et al.A Dist ributed

Lagrange Multiplier/Fictitious Domain Met hod for Particulate Flows[J].International Journal of Multiphase Flow,1999,25: 755-794.

[28]G LOWINSKI R,PAN T W,H ESLA T I,et al.A Dist ributed

Lagrange Multiplier/Fictitious Domain Met hod for t he Simula2 tion of Flow around Moving Rigid Bodies:Application to Partic2 ulate Flow[J].Computational Met hods in Applied Mechanical Engineering,2000,184:241-267.

[29]G LOWINSKI R,PAN T W,H ESLA T I,et al.A Fictitious

Domain Approach to t he Direct Numerical Simulation of Incom2 pressible Viscous Flow past Moving Rigid Bodies:Application to Particulate Flow[J].Journal of Computational Physics,2001, 169:363-426.

[30]PESKIN C S.Flow patterns around heart valves:A numerical

met hod[J].Journal of Computational Physics,1972,10:252. [31]PESKIN C S.Numerical analysis of blood flow in t he heart[J].

Journal of Computational Physics,1977,25:220.

[32]J AUV TIS N,WILL IAMSON C H K.Vortex2induced vibration

of a cylinder wit h two degrees of freedom[J].Journal of Fluids and Structures,2003,17:1035-1042.

[33]WILL IAMSON C H K,J AUV TIS N.A high2amplitude2T

mode of vortex2induced vibration for a light body in XY motion [J].European Journal of Mechanics B/Fluids,2004,23:107-114.

[34]FL EMMIN G F,WILL IAMSON C H K.Vortex2induced vibra2

tions of a pivoted cylinder[J].Journal of Fluid Mechanics,2005, 522:215-252.

[35]DA HL J M,HOV ER F S,TRIAN TA F Y LLOU M S.Two2de2

gree2of2freedom vortex2induced vibrations using a force assisted apparatus[J].Journal of Fluids and Structures,2006,22:807-818.

[36]WA TANAB E T,KONDO M.Numerical simulation of in2line

and cross2flow oscillations of a cylinder[J].J SME International Journal,Series B,2006,49(2):296-301.

[37]HOV ER F S,DAVIS J T,TRIAN TA F Y LLOU M S.Three2di2

mensionality of mode transition in vortex2induced vibrations of a circular cylinder[J].European Journal of Mechanics B/Fluid, 2004,23:29-40.

・

1

・海　洋　学　研　究27卷4期

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net An overvie w on the study of vortex 2induced

vibration of marine riser

HUAN G Xu 2dong 1,ZHAN G Hai 1,2,WAN G Xue 2song 1

(1.Dep artment of Ci vil En gi neeri ng ,Ti anj i n I nstit ute of U rban Const ruction ,T i anj i n 300384,Chi na;2.S chool of Ci vil Engi neeri n g ,T i anj i n U ni versit y ,Ti anj i n 300072,Chi na )

Abstract :Wit h t he increasing p roduction of deep 2sea oil and gas ,more and more effort s have been p ut into t he research of vortex 2induced vibration (V IV )of marine riser.In t he ocean environment ,t he V IV of marine riser is mainly caused by t he sea current.When current passes by t he marine riser ,alternative vortex 2shedding occurs at each side of t he riser ,which result s in cro ss 2flow and fair 2flow p ulsating forces acting on t he riser.This is considered to be t he source of t he V IV of marine riser.The V IV of marine riser is such an int ricate engineering problem t hat it involves many unresolved difficult problems ,such as t urbulent flow ,flow separation ,separation point shifting ,etc.Moreover ,t he undetermined position of marine riser and t he interaction between t he flow and marine riser significantly increase t he complexity of resolving t he problem.Despite several decades of intensive research work ,an effective met hod t hat can accurately ,efficiently and economically p redict t he V IV responses of marine riser in t he sea current has still not yet emerged.However ,recently research work still made a lot of cont ributions to t his difficult problem.Many t heoretical ,empirical ,experimental and numerical met hods have been p resented in journals and international conferences.

In t his paper ,t he background knowledge and basic t heory of V IV is firstly presented and t hen ,t he achievement s made in t he st udy of V IV of t he marine riser in recent years are reviewed.After t hat ,two hot 2spot issues on V IV of marine riser ,i.e.,to what extent can t he fair 2flow vibration impact t he cro ss 2flow vibration and how does t he t hree 2dimensio nality of t he wake affect t he V IV of marine riser.Conventionally ,it is believed t hat t he fair 2flow vibration of marine riser has smaller amplit ude by an order of magnit ude t han t he cro ss 2flow vibration ,and t hus has little effect on t he cro ss 2flow vibration.However ,recent research work found t hat fair 2flow vibration may increase t he amplit ude of t he cross 2flow vibration significantly when t he st ruct ure 2fluid mass ratio is smaller t han 6.On t he ot her hand ,t he vortex st ruct ure in wake flow was always simplified as a two 2dimensional flow in p revious st udies of V IV.But act ually ,any vortex st ruct ure is t hree 2dimensional.Recent research shows t hat t he t hree 2dimensional feat ure of t he wake flow has a clo se relationship wit h t he axial correlation of fluid force on t he riser.Wit h t he develop ment of t he current (t he nominal reduced velocity of current increasing f rom zero to 12),t he t hree 2dimensional feat ure of t he wake flow varies.On t he early stage it is not o bvious and t he correlatio n coefficient of fluid force is almo st equal to

1.That is to say ,the fluid force and t he marine riser πs displacement are synchronous and energy is t ransported f rom t he current to t he riser continuously ,which leads to increasing vibration amplit ude of t he riser.When t he nominal reduced velocity exceeds 6,axial correlation coefficient of t he fluid force decreases abruptly f rom 1to a negative value.At t hat time ,t he t hree 2dimensional effect of t he wake flow is significant.The fluid force t urns f rom p roviding energy to t he marine riser to co nsuming energy of t he marine riser ,from driving riser πs vibration to limiting riser πs vibration.This can be considered as cause of t he “self 2limited ”characteristics of t he V IV response of marine riser.At t he end of t he paper ,some conclusions and reco mmendatio ns for f ut ure research work are made.

K ey w ords :vortex 2induced vibration ;marine riser ;overview

・

101・黄旭东等:海洋立管涡激振动的研究现状、热点与展望