详情

原文传递 Spar平台周围流场及涡激运动研究

论文题名：	Spar平台周围流场及涡激运动研究
关键词：	Spar平台;周围流场;涡激运动;数值模拟
摘要：	随着世界范围内海洋工程技术的发展，Spar平台的表现备受瞩目。在工程中广泛应用的Spar平台自诞生之初就为涡激运动问题所困扰。Spar平台的圆柱形主体结构在一定海流条件下，会受到交替泻涡产生的脉动流体力，从而引发大规模运动响应。因此，对其运动响应特性及抑制方法的机理性研究始终是学术界关注的热点问题。　　本文以国家科技重大专项子课题“深水浮式平台试验研究”（项目编号：2008ZX05026-002-04）以及国家自然科学基金“Spar平台涡激运动关键特性研究”（项目编号：40906049）为依托，旨在对Spar平台周围流场进行观察和阐释，从机理上对涡激运动现象进行深入理解，探索涡激运动的成因及抑制方法，达到与工程实践相结合的目的。　　本文关注了国内外近年来有关圆柱体及Spar平台涡激运动的研究动向，针对一系列热点问题开展了深入的研究工作。内容涉及均匀流下圆柱体及平台绕流问题的研究，平台涡激运动响应特性的研究，以及平台涡激运动抑制方法的研究。论文采用数值模拟与模型试验相结合的方法，深入分析了一系列与圆柱体及Spar平台相关的重要物理参数，从Spar平台近场的湍动特性，涡激运动对流场影响的物理机制，影响涡激运动的关键参数以及钝体流动控制手段等方面针对Spar平台进行了系统而深入的研究，合理的解释了众多与涡激运动相关的物理现象。论文的主要内容可以归纳为以下几个方面：　　1.系统的归纳与总结了有关圆柱体及Spar平台涡激运动方面的相关研究及理论，对影响圆柱体涡激运动的关键物理参数及相关物理概念进行了深入诠释，对研究中所需的基本理论进行了介绍。　　2.采用大涡模拟方法，对简化的Truss Spar平台主体模型进行绕流特性研究。详细比较了均匀流中有限长圆柱体及无限长圆柱体在三维绕流问题中展现出的明显差异。主要从无量纲参数及尾流流场特征方面对无限长及有限长圆柱体进行对比分析。通过流体力系数的时均量及脉动量，斯托罗哈数等无量纲参数与尾流流场涡脱特征相结合，针对尾流流场湍动特性，通过流场可视化技术，对瞬时和时均流场的流线轨迹、回流区特征、剪切层分离、尾流场涡脱结构及有限长圆柱体展示出的自由端的特殊漩涡结构进行了细致的分析，从机理上对绕流特性中的物理现象进行解释。　　3.通过模型试验方法，对无侧板Truss Spar平台的绕流性能和涡激运动性能进行研究。在拖曳水池中对平台进行固定拖曳和涡激运动模型试验。从流体力系数的时均值和脉动值以及幅频特性等方面，对平台固定绕流中表现出的阻力增加、脉动升力下降和St数平稳等现象进行了解释，证明了阻力与升力频率之间的关系，利用试验所得泻涡频率，明确给出了St数的取值约为0.17。通过与数值模拟结果对比，证明了有限长圆柱体计算模型在简化Truss Spar平台主体问题上的合理性。　　在平台涡激运动特性研究中，成功引入小波分析方法对模型试验中的阻尼系数进行求解，证明了小波分析方法识别低频运动阻尼系数的较好效果。通过平台运动轨迹的展示直观了解了系泊系统的影响及涡激运动的基本特征。重点围绕涡激运动问题中关键的锁定现象进行了阐述，对Spar平台这类低质量比海洋结构物的锁定区间给出了与以往不同的概念，认为涡激运动的最大响应幅值约出现在折合速度为6至10的范围之间，实际的锁定区间远大于一般所认为的折合速度为5到8的区域，并且在锁定状态下，平台的振动频率并非锁定在单一的固有频率上，而是随着折合速度增长有所增加。研究了平台锁定状态下无因次频率在折合速度区间上的变化规律，对锁定概念中振动频率的跳转做出了描述。通过对平台阻力和升力系数时均值及脉动均方根值的分析，解释了平台在涡激运动情况下发生大规模水平运动的原因，并与固定绕流情况下相应的流体力系数进行了比较。推导了附加质量系数这一半经验模型中常用的重要水动力参数的求解方法。总结了平台涡激运动情况下的附加质量系数的变化规律，阐述了附加质量系数随折合速度增长的下降趋势，验证了平台锁定状态下振动频率并非锁定在静水中的固有频率上，并对时变附加质量系数及其波动规律进行了细致研究，深入认识和理解了附加质量系数的变化规律及特性。　　4.通过数值模拟与模型试验相结合的方法，对减涡侧板这一常用抑制装置的作用机理及其重要参数对涡激运动的影响进行研究。采用拖曳水池模型试验方法，对带侧板Truss Spar平台进行了固定拖曳和涡激运动试验。固定拖曳试验中，验证了试验数据的可重复性和准确性，从时均阻力系数的分布范围，脉动升力系数的差异以及频谱分析等方面，证实了减涡侧板引入三维扰动力达到流体控制的机理，并从雷诺数对流体力系数的影响，有无侧板情况下绕流特性比较，以及迎流角度和桁架部分的影响等方面全面分析了减涡侧板的作用机理及其对平台绕流特性的影响。　　在带侧板Truss Spar平台涡激运动特性研究中，展示了平台的运动轨迹、轨迹范围及平衡位置，直观了解了系泊系统及减涡侧板的影响。重点围绕横荡运动的幅值响应，对不同迎流角度下减涡侧板的抑制效率给出了定量描述，证明侧板接头处迎流会发生较大幅度的运动响应，增加侧板的交叠率有利于提高抑制效率。分析了基本流体力系数和幅频特性，从平台所受激励力角度对减涡侧板的抑制机理进行了阐述。　　提出侧板垂向覆盖率这一重要参数，采用数值模拟方法，结合带侧板和无侧板平台的固定拖曳及涡激运动模型试验结果，对该参数在侧板抑制效率中的作用进行研究。流体力系数的分析定量体现了不同垂向覆盖率侧板的抑制效果，流场漩涡结构的可视化则直观展示了不同参数所引发的差异的根本原因。所得结论为工程设计中减涡侧板的优化以及运营中平台的安全性问题提供了具有参考价值的数据。
作者：	张蕙
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	杨建民
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文