海流作用下多立柱式Spar平臺繞流流場與渦激運(yùn)動(dòng)特性研究.pdf

1、油氣資源在未來幾十年中仍將占據(jù)能源結(jié)構(gòu)的主體地位，而隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求也日益增大，開發(fā)南海深水區(qū)域的油氣資源能夠有效緩解我國能源緊張的壓力。Spar平臺作為典型的深水浮式平臺，由于其具有穩(wěn)性好，垂蕩小，不受水深限制以及良好的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，能夠成為開發(fā)南海油氣資源的理想選擇。本文所研究的新型多立柱式 Spar平臺概念應(yīng)用而生，其硬艙為四根圓柱方形陣列布置加方形中心井的形式，比傳統(tǒng)的單立柱式Spar平臺更易施工建造。
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2、ar平臺有著諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也面臨著一種特殊的困擾——渦激運(yùn)動(dòng)問題。Spar平臺的主體為典型的鈍體結(jié)構(gòu)，當(dāng)遭遇一定速度的海流作用時(shí)，主體上將會產(chǎn)生流動(dòng)分離和旋渦脫落，進(jìn)而引發(fā)較大幅度的垂直流向的運(yùn)動(dòng)。渦激運(yùn)動(dòng)會使得系泊纜和立管上產(chǎn)生較大的張力，對系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)造成疲勞損傷，使得平臺整體的疲勞壽命降低。由于多柱式Spar平臺的各柱間會產(chǎn)生復(fù)雜的相互干擾，不同于常規(guī)的單立柱Spar平臺或半潛式平臺，因此對其開展相應(yīng)的繞流和渦激運(yùn)動(dòng)研究具

3、有重要意義。
　　本文通過數(shù)值計(jì)算方法，對平臺整體的繞流特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)：由于平臺主體形式的特殊性，在15°和30°來流角下，平臺不再關(guān)于流向?qū)ΨQ，此時(shí)平臺所受升力的均值不再為零；除了升力和阻力作用外，平臺還受到一定的力矩作用；平臺各柱渦結(jié)構(gòu)會在尾流側(cè)匯聚，脫渦形式為單渦街。
　　在研究平臺整體繞流特性的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)各柱之間存在著復(fù)雜的相互干擾。平臺的方柱部分尾渦發(fā)展受到下游側(cè)圓柱的抑制，且30°來流角時(shí)一側(cè)的流動(dòng)分

4、離規(guī)律不同于單方柱繞流。平臺四圓柱部分中下游側(cè)圓柱受到的升力波動(dòng)幅值更大，上游側(cè)圓柱在來流角較低時(shí)受到的阻力比單圓柱繞流時(shí)大，而在來流角較高時(shí)阻力小于單圓柱情況。
　　采用拖曳水池模型試驗(yàn)手段，研究了是不同來流角、不同流速下平臺的渦激運(yùn)動(dòng)特性。通過對橫蕩運(yùn)動(dòng)、縱蕩運(yùn)動(dòng)、水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡、首搖運(yùn)動(dòng)、渦脫頻率和水動(dòng)力系數(shù)的分析，可得：在折合速度約為6~8范圍內(nèi)，平臺橫蕩運(yùn)動(dòng)存在明顯的“鎖定”現(xiàn)象（0°來流角無側(cè)板時(shí)“鎖定”范圍約為 U

5、r：7~10）。在0°來流角下較高流速時(shí)，減渦側(cè)板對渦激運(yùn)動(dòng)有明顯的抑制效果。平臺的運(yùn)動(dòng)軌跡近似與平臺硬艙截面的對角線平行（0°來流角除外），這不同于常規(guī)的單立柱Spar平臺。此外，試驗(yàn)中還觀察到較明顯的首搖運(yùn)動(dòng)。在“鎖定”區(qū)間范圍內(nèi)，平臺的脫渦頻率不再隨著流速的增大而線性增大，而是近似保持水平。
　　通過數(shù)值模擬方法，從繞流流場角度，對平臺的渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象開展了進(jìn)一步的研究。相較于平臺固定繞流情況，由于平臺約束變?yōu)榱藦椥约s束，會在