Spar平臺周圍流場及渦激運(yùn)動研究.pdf

1、隨著世界范圍內(nèi)海洋工程技術(shù)的發(fā)展，Spar平臺的表現(xiàn)備受矚目。在工程中廣泛應(yīng)用的Spar平臺自誕生之初就為渦激運(yùn)動問題所困擾。Spar平臺的圓柱形主體結(jié)構(gòu)在一定海流條件下，會受到交替瀉渦產(chǎn)生的脈動流體力，從而引發(fā)大規(guī)模運(yùn)動響應(yīng)。因此，對其運(yùn)動響應(yīng)特性及抑制方法的機(jī)理性研究始終是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
　　本文以國家科技重大專項(xiàng)子課題“深水浮式平臺試驗(yàn)研究”（項(xiàng)目編號：2008ZX05026-002-04）以及國家自然科學(xué)基金“Sp

2、ar平臺渦激運(yùn)動關(guān)鍵特性研究”（項(xiàng)目編號：40906049）為依托，旨在對Spar平臺周圍流場進(jìn)行觀察和闡釋，從機(jī)理上對渦激運(yùn)動現(xiàn)象進(jìn)行深入理解，探索渦激運(yùn)動的成因及抑制方法，達(dá)到與工程實(shí)踐相結(jié)合的目的。
　　本文關(guān)注了國內(nèi)外近年來有關(guān)圓柱體及Spar平臺渦激運(yùn)動的研究動向，針對一系列熱點(diǎn)問題開展了深入的研究工作。內(nèi)容涉及均勻流下圓柱體及平臺繞流問題的研究，平臺渦激運(yùn)動響應(yīng)特性的研究，以及平臺渦激運(yùn)動抑制方法的研究。論文采用數(shù)值模

3、擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入分析了一系列與圓柱體及Spar平臺相關(guān)的重要物理參數(shù)，從Spar平臺近場的湍動特性，渦激運(yùn)動對流場影響的物理機(jī)制，影響渦激運(yùn)動的關(guān)鍵參數(shù)以及鈍體流動控制手段等方面針對Spar平臺進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，合理的解釋了眾多與渦激運(yùn)動相關(guān)的物理現(xiàn)象。論文的主要內(nèi)容可以歸納為以下幾個方面：
　　1.系統(tǒng)的歸納與總結(jié)了有關(guān)圓柱體及Spar平臺渦激運(yùn)動方面的相關(guān)研究及理論，對影響圓柱體渦激運(yùn)動的關(guān)鍵物理參數(shù)及相關(guān)

4、物理概念進(jìn)行了深入詮釋，對研究中所需的基本理論進(jìn)行了介紹。
　　2.采用大渦模擬方法，對簡化的Truss Spar平臺主體模型進(jìn)行繞流特性研究。詳細(xì)比較了均勻流中有限長圓柱體及無限長圓柱體在三維繞流問題中展現(xiàn)出的明顯差異。主要從無量綱參數(shù)及尾流流場特征方面對無限長及有限長圓柱體進(jìn)行對比分析。通過流體力系數(shù)的時均量及脈動量，斯托羅哈數(shù)等無量綱參數(shù)與尾流流場渦脫特征相結(jié)合，針對尾流流場湍動特性，通過流場可視化技術(shù)，對瞬時和時均流場的流

5、線軌跡、回流區(qū)特征、剪切層分離、尾流場渦脫結(jié)構(gòu)及有限長圓柱體展示出的自由端的特殊漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的分析，從機(jī)理上對繞流特性中的物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋。
　　3.通過模型試驗(yàn)方法，對無側(cè)板Truss Spar平臺的繞流性能和渦激運(yùn)動性能進(jìn)行研究。在拖曳水池中對平臺進(jìn)行固定拖曳和渦激運(yùn)動模型試驗(yàn)。從流體力系數(shù)的時均值和脈動值以及幅頻特性等方面，對平臺固定繞流中表現(xiàn)出的阻力增加、脈動升力下降和St數(shù)平穩(wěn)等現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，證明了阻力與升力頻率

6、之間的關(guān)系，利用試驗(yàn)所得瀉渦頻率，明確給出了St數(shù)的取值約為0.17。通過與數(shù)值模擬結(jié)果對比，證明了有限長圓柱體計算模型在簡化Truss Spar平臺主體問題上的合理性。
　　在平臺渦激運(yùn)動特性研究中，成功引入小波分析方法對模型試驗(yàn)中的阻尼系數(shù)進(jìn)行求解，證明了小波分析方法識別低頻運(yùn)動阻尼系數(shù)的較好效果。通過平臺運(yùn)動軌跡的展示直觀了解了系泊系統(tǒng)的影響及渦激運(yùn)動的基本特征。重點(diǎn)圍繞渦激運(yùn)動問題中關(guān)鍵的鎖定現(xiàn)象進(jìn)行了闡述，對Spar平臺

7、這類低質(zhì)量比海洋結(jié)構(gòu)物的鎖定區(qū)間給出了與以往不同的概念，認(rèn)為渦激運(yùn)動的最大響應(yīng)幅值約出現(xiàn)在折合速度為6至10的范圍之間，實(shí)際的鎖定區(qū)間遠(yuǎn)大于一般所認(rèn)為的折合速度為5到8的區(qū)域，并且在鎖定狀態(tài)下，平臺的振動頻率并非鎖定在單一的固有頻率上，而是隨著折合速度增長有所增加。研究了平臺鎖定狀態(tài)下無因次頻率在折合速度區(qū)間上的變化規(guī)律，對鎖定概念中振動頻率的跳轉(zhuǎn)做出了描述。通過對平臺阻力和升力系數(shù)時均值及脈動均方根值的分析，解釋了平臺在渦激運(yùn)動情況下

8、發(fā)生大規(guī)模水平運(yùn)動的原因，并與固定繞流情況下相應(yīng)的流體力系數(shù)進(jìn)行了比較。推導(dǎo)了附加質(zhì)量系數(shù)這一半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谐Ｓ玫闹匾畡恿?shù)的求解方法?？偨Y(jié)了平臺渦激運(yùn)動情況下的附加質(zhì)量系數(shù)的變化規(guī)律，闡述了附加質(zhì)量系數(shù)隨折合速度增長的下降趨勢，驗(yàn)證了平臺鎖定狀態(tài)下振動頻率并非鎖定在靜水中的固有頻率上，并對時變附加質(zhì)量系數(shù)及其波動規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致研究，深入認(rèn)識和理解了附加質(zhì)量系數(shù)的變化規(guī)律及特性。
　　4.通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對減

9、渦側(cè)板這一常用抑制裝置的作用機(jī)理及其重要參數(shù)對渦激運(yùn)動的影響進(jìn)行研究。采用拖曳水池模型試驗(yàn)方法，對帶側(cè)板Truss Spar平臺進(jìn)行了固定拖曳和渦激運(yùn)動試驗(yàn)。固定拖曳試驗(yàn)中，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，從時均阻力系數(shù)的分布范圍，脈動升力系數(shù)的差異以及頻譜分析等方面，證實(shí)了減渦側(cè)板引入三維擾動力達(dá)到流體控制的機(jī)理，并從雷諾數(shù)對流體力系數(shù)的影響，有無側(cè)板情況下繞流特性比較，以及迎流角度和桁架部分的影響等方面全面分析了減渦側(cè)板的作用機(jī)理

10、及其對平臺繞流特性的影響。
　　在帶側(cè)板Truss Spar平臺渦激運(yùn)動特性研究中，展示了平臺的運(yùn)動軌跡、軌跡范圍及平衡位置，直觀了解了系泊系統(tǒng)及減渦側(cè)板的影響。重點(diǎn)圍繞橫蕩運(yùn)動的幅值響應(yīng)，對不同迎流角度下減渦側(cè)板的抑制效率給出了定量描述，證明側(cè)板接頭處迎流會發(fā)生較大幅度的運(yùn)動響應(yīng)，增加側(cè)板的交疊率有利于提高抑制效率。分析了基本流體力系數(shù)和幅頻特性，從平臺所受激勵力角度對減渦側(cè)板的抑制機(jī)理進(jìn)行了闡述。
　　提出側(cè)板垂向覆蓋率