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原文传递浮力筒自由涡激运动试验研究

论文题名：	浮力筒自由涡激运动试验研究
关键词：	浮力筒;涡激运动;拖曳水池;模型试验;锚泊系统;海洋平台
摘要：	在海洋工程领域，对立管和海底管道等圆柱状结构的涡激振动现象及机理的研究正日趋完善，但对近年来才刚发现的Spar、TLP和浮力筒等结构的涡激运动现象研究还较少。涡激运动会增加和平台相连的锚链和立管的疲劳破坏，缩短后者的总体疲劳寿命。正确认识和描述涡激运动特性，对于海洋结构物及其锚泊系统和立管的设计来讲非常重要，对保证海洋结构物服役期间的安全运行和经济效益有重要意义。　　本文开展了浮力筒自由涡激运动模型试验研究，制作了三个不同尺寸的浮力筒模型，在拖曳水池进行模型拖曳试验测量不同来流速度下浮力筒的六自由度运动。主要对浮力筒顺流向运动、横向运动和艏摇运动的时间-位移曲线、运动轨迹、频率、幅值等进行了分析。　　首先，对顺流向和横向涡激运动特性进行了分析，试验发现当约化速度较小时浮力筒主要发生顺流向运动而横向运动较小且不规则，此时X-Y运动轨迹也显得较为杂乱。当约化速度较大时，顺流向和横流向运动时间-位移曲线都较为规则，浮力筒运动轨迹呈现明显的“8”字形。发现浮力筒运动频率既不等于其运动固有频率，也不等于静止圆柱绕流漩涡脱落频率，且随约化速度增大几乎成线性增大，但也出现了连续几个约化速度下运动频率相等的情况。试验中发现顺流向运动频率为横流向运动频率的2倍，有些工况下还出现了等于单倍横流向运动频率和一些低频分量。当约化速度较低时，横流向运动时间-位移曲线较为杂乱，运动频率也出现了多个频率分量，当约化速度较大时横流向运动时间-位移曲线规则稳定，运动频率单一。分析了不同直径浮力筒无量纲运动均方根幅值随约化速度的变化趋势，发现小直径浮力筒运动幅值随在整个试验约化速度范围内保持在较高水平。中直径浮力筒顺流向运动幅值先随约化速度迅速增大，而后保持在较高水平，横流向运动出现了“双峰”现象，且两个峰值大小几乎相当，当约化速度大于10以后横流向运动幅值保持不变。通过大直径浮力筒试验我们发现当约会速度小于3时主要发生顺流向运动，横流向运动幅值很小。当约会速度约等于3时顺流向运动出现一个峰值，当约会速度继续增大，横流向运动幅值迅速增大到某一值并保持稳定，而顺流向运动幅值则出现先减小再迅速增大的过程。　　其次，对浮力筒艏摇运动特性进行了研究，发现当流速较小时艏摇运动频率是单一的，当流速增大后艏摇运动开始出现两个频率，这两个运动频率均随约会速度增大而增大，也出现了几个不同约化速度下艏摇运动频率相等的情况。把艏摇运动频率和顺流向及横流向运动频率作对比，我们发现三者之间有着密切的关系。还对三个不同直径浮力筒艏摇运动幅值随约化速度变化规律进行了研究分析。　　最后，对浮力筒涡激运动拖曳力系数进行了计算，并和圆柱静止绕流阻力系数进行对比。发现圆柱形浮力筒涡激运动时拖曳力系数比静止圆柱绕流拖曳力增大了约100％。　　总之，本文通过模型试验对不同来流速度下浮力筒的涡激运动现象进行了多方面的研究和总结，为后续对圆柱形结构的涡激运动现象更深入的研究提供了参考。
作者：	李鹏
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	康庄
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文