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原文传递海流作用下多立柱式Spar平台绕流流场与涡激运动特性研究

论文题名：	海流作用下多立柱式Spar平台绕流流场与涡激运动特性研究
关键词：	深水浮式平台;多立柱式Spar平台;涡激运动;数值模拟;模型试验;绕流流场
摘要：	油气资源在未来几十年中仍将占据能源结构的主体地位，而随着我国经济发展，能源需求也日益增大，开发南海深水区域的油气资源能够有效缓解我国能源紧张的压力。Spar平台作为典型的深水浮式平台，由于其具有稳性好，垂荡小，不受水深限制以及良好的经济性等优点，能够成为开发南海油气资源的理想选择。本文所研究的新型多立柱式 Spar平台概念应用而生，其硬舱为四根圆柱方形阵列布置加方形中心井的形式，比传统的单立柱式Spar平台更易施工建造。　　Spar平台有着诸多优点的同时，也面临着一种特殊的困扰——涡激运动问题。Spar平台的主体为典型的钝体结构，当遭遇一定速度的海流作用时，主体上将会产生流动分离和旋涡脱落，进而引发较大幅度的垂直流向的运动。涡激运动会使得系泊缆和立管上产生较大的张力，对系泊系统和立管系统造成疲劳损伤，使得平台整体的疲劳寿命降低。由于多柱式Spar平台的各柱间会产生复杂的相互干扰，不同于常规的单立柱Spar平台或半潜式平台，因此对其开展相应的绕流和涡激运动研究具有重要意义。　　本文通过数值计算方法，对平台整体的绕流特性进行了分析。研究发现：由于平台主体形式的特殊性，在15°和30°来流角下，平台不再关于流向对称，此时平台所受升力的均值不再为零；除了升力和阻力作用外，平台还受到一定的力矩作用；平台各柱涡结构会在尾流侧汇聚，脱涡形式为单涡街。　　在研究平台整体绕流特性的同时，还发现各柱之间存在着复杂的相互干扰。平台的方柱部分尾涡发展受到下游侧圆柱的抑制，且30°来流角时一侧的流动分离规律不同于单方柱绕流。平台四圆柱部分中下游侧圆柱受到的升力波动幅值更大，上游侧圆柱在来流角较低时受到的阻力比单圆柱绕流时大，而在来流角较高时阻力小于单圆柱情况。　　采用拖曳水池模型试验手段，研究了是不同来流角、不同流速下平台的涡激运动特性。通过对横荡运动、纵荡运动、水平面内运动轨迹、首摇运动、涡脱频率和水动力系数的分析，可得：在折合速度约为6~8范围内，平台横荡运动存在明显的“锁定”现象（0°来流角无侧板时“锁定”范围约为 Ur：7~10）。在0°来流角下较高流速时，减涡侧板对涡激运动有明显的抑制效果。平台的运动轨迹近似与平台硬舱截面的对角线平行（0°来流角除外），这不同于常规的单立柱Spar平台。此外，试验中还观察到较明显的首摇运动。在“锁定”区间范围内，平台的脱涡频率不再随着流速的增大而线性增大，而是近似保持水平。　　通过数值模拟方法，从绕流流场角度，对平台的涡激运动现象开展了进一步的研究。相较于平台固定绕流情况，由于平台约束变为了弹性约束，会在涡激力作用下产生涡激运动，平台的尾涡结构会偏向于运动的反方向。在较高来流角下，平台各柱的流动分离特性也会发生改变，分离位置和尾涡结构形式与固定绕流时有较明显的区别。
作者：	苏云龙
专业：	船舶与海洋工程
导师：	杨建民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文