Spar平臺(tái)周圍流場(chǎng)及渦激運(yùn)動(dòng)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(tái)的表現(xiàn)備受矚目。在工程中廣泛應(yīng)用的Spar平臺(tái)自誕生之初就為渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題所困擾。Spar平臺(tái)的圓柱形主體結(jié)構(gòu)在一定海流條件下，會(huì)受到交替瀉渦產(chǎn)生的脈動(dòng)流體力，從而引發(fā)大規(guī)模運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此，對(duì)其運(yùn)動(dòng)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(wèn)題。
　　本文以國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“深水浮式平臺(tái)試驗(yàn)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2008ZX05026-002-04）以及國(guó)家自然科學(xué)基金“Sp

2、ar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵特性研究”（項(xiàng)目編號(hào)：40906049）為依托，旨在對(duì)Spar平臺(tái)周圍流場(chǎng)進(jìn)行觀察和闡釋，從機(jī)理上對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行深入理解，探索渦激運(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)外近年來(lái)有關(guān)圓柱體及Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的研究動(dòng)向，針對(duì)一系列熱點(diǎn)問(wèn)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(tái)繞流問(wèn)題的研究，平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性的研究，以及平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)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(tái)相關(guān)的重要物理參數(shù)，從Spar平臺(tái)近場(chǎng)的湍動(dòng)特性，渦激運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)影響的物理機(jī)制，影響渦激運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)以及鈍體流動(dòng)控制手段等方面針對(duì)Spar平臺(tái)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(dòng)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(gè)方面：
　　1.系統(tǒng)的歸納與總結(jié)了有關(guān)圓柱體及Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)方面的相關(guān)研究及理論，對(duì)影響圓柱體渦激運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)簡(jiǎn)化的Truss Spar平臺(tái)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(zhǎng)圓柱體及無(wú)限長(zhǎng)圓柱體在三維繞流問(wèn)題中展現(xiàn)出的明顯差異。主要從無(wú)量綱參數(shù)及尾流流場(chǎng)特征方面對(duì)無(wú)限長(zhǎng)及有限長(zhǎng)圓柱體進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)流體力系數(shù)的時(shí)均量及脈動(dòng)量，斯托羅哈數(shù)等無(wú)量綱參數(shù)與尾流流場(chǎng)渦脫特征相結(jié)合，針對(duì)尾流流場(chǎng)湍動(dòng)特性，通過(guò)流場(chǎng)可視化技術(shù)，對(duì)瞬時(shí)和時(shí)均流場(chǎng)的流

5、線軌跡、回流區(qū)特征、剪切層分離、尾流場(chǎng)渦脫結(jié)構(gòu)及有限長(zhǎng)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(duì)繞流特性中的物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋。
　　3.通過(guò)模型試驗(yàn)方法，對(duì)無(wú)側(cè)板Truss Spar平臺(tái)的繞流性能和渦激運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究。在拖曳水池中對(duì)平臺(tái)進(jìn)行固定拖曳和渦激運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)。從流體力系數(shù)的時(shí)均值和脈動(dòng)值以及幅頻特性等方面，對(duì)平臺(tái)固定繞流中表現(xiàn)出的阻力增加、脈動(dòng)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(guò)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，證明了有限長(zhǎng)圓柱體計(jì)算模型在簡(jiǎn)化Truss Spar平臺(tái)主體問(wèn)題上的合理性。
　　在平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)特性研究中，成功引入小波分析方法對(duì)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(shí)別低頻運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)的較好效果。通過(guò)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的展示直觀了解了系泊系統(tǒng)的影響及渦激運(yùn)動(dòng)的基本特征。重點(diǎn)圍繞渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中關(guān)鍵的鎖定現(xiàn)象進(jìn)行了闡述，對(duì)Spar平臺(tái)

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(dòng)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(tái)的振動(dòng)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(zhǎng)有所增加。研究了平臺(tái)鎖定狀態(tài)下無(wú)因次頻率在折合速度區(qū)間上的變化規(guī)律，對(duì)鎖定概念中振動(dòng)頻率的跳轉(zhuǎn)做出了描述。通過(guò)對(duì)平臺(tái)阻力和升力系數(shù)時(shí)均值及脈動(dòng)均方根值的分析，解釋了平臺(tái)在渦激運(yùn)動(dòng)情況下

8、發(fā)生大規(guī)模水平運(yùn)動(dòng)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?dòng)力參數(shù)的求解方法?？偨Y(jié)了平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的下降趨勢(shì)，驗(yàn)證了平臺(tái)鎖定狀態(tài)下振動(dòng)頻率并非鎖定在靜水中的固有頻率上，并對(duì)時(shí)變附加質(zhì)量系數(shù)及其波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致研究，深入認(rèn)識(shí)和理解了附加質(zhì)量系數(shù)的變化規(guī)律及特性。
　　4.通過(guò)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)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(duì)渦激運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行研究。采用拖曳水池模型試驗(yàn)方法，對(duì)帶側(cè)板Truss Spar平臺(tái)進(jìn)行了固定拖曳和渦激運(yùn)動(dòng)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(shí)均阻力系數(shù)的分布范圍，脈動(dòng)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(dòng)力達(dá)到流體控制的機(jī)理，并從雷諾數(shù)對(duì)流體力系數(shù)的影響，有無(wú)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(duì)平臺(tái)繞流特性的影響。
　　在帶側(cè)板Truss Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)特性研究中，展示了平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的幅值響應(yīng)，對(duì)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(huì)發(fā)生較大幅度的運(yùn)動(dòng)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(tái)所受激勵(lì)力角度對(duì)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