均匀来流中Spar平台涡激运动响应研究.pdfVIP

中国科学: 物理学 力学 天文学 2011 年 第41 卷 第2 期: 132 ~ 139 SCIENTIA SINICA Phys, Mech Astron SCIENCE CHINA PRESS 海洋工程水动力学专题 均匀来流中Spar 平台涡激运动响应研究 ①②* ①② ①② 高云 , 宗智 , 于馨 ①大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024; ② 大连理工大学运载工程与力学学部 船舶工程学院, 大连116024 *E-mail: dutgaoyun@163.com 收稿日期: 2010-11-26; 接受日期: 2010-12-20 国家自然科学基金(批准号:和国家重点基础研究发展计划(编号: 2010CB832700)资助项目 摘要 Spar 平台由于其优良的特性, 近年来, 在深水工程领域, 得到了越来越广泛的应用. Spar 平台由于其 特有的几何特性, 从而导致其在水流中可能产生涡激运动. 文中针对Spar 平台的刚体特性, 建立了Spar 平台 与尾流振子之间的耦合运动方程, 利用该方法对一模型平台进行了数值验证, 计算得到的锁定区域与实验测 得的结果吻合良好. 接着对一真实的Spar 平台进行了计算, 并得到Spar 平台和尾流振子的时间历程曲线. 结 果表明Spar 平台的运动幅度以及运动周期比通常涡激振动的幅度以及周期要大. 关键词 Spar 平台, 尾流振子, 锁定区域, 无量纲振幅比, 无量纲升力系数比 PACS: 47.32.ck, 43.40.At, 02.60.Cb. 1 引言 较小的纵横比、整个结构的刚体特性以及海洋平台特 有的水动力性能, 使得它在旋涡脱落的作用下, 表现 在工程界中, 对物体在空气、水等流体介质中涡 出与海洋立管等细长体完全不同的运动特征. 激振动(Vortex-induced Vibration, VIV)现象的研究已 Spar 平台的柱形主体在一定的流场作用下会在 有很长一段时间. 当流体流过结构时, 在一定速度的 结构两侧引起交替脱落的旋涡, 从而会产生与来流 来流中, 会在结构背后交替地形成旋涡, 旋涡的周期 方向垂直的大幅度的平台漂移运动, 此运动将会增 性脱落会对结构产生周期性的脉动压力, 从而导致 加与其相连接的立管以及锚泊系统的载荷. 为了区 结构发生振动. VIV 现象可能发生在不同的结构上, 别于一般情况下的涡激振动, 通常将 Spar 平台这种 如桥梁、电缆、海洋管线等. 特有的由旋涡脱落引起的运动称为涡激运动 在海洋工程领域中, 目前研究比较广泛, 研究成 (Vortex-induced Motions, VIM). Spar 平台的涡激运动 果较多的是海洋立管以及海底管道等大长细比柔性 (VIM)是涡激振动(VIV) 中的一个特例, 相对于一般 结构物的涡激振动. 而对于Spar 平台这种近几年得 情况下的 VIV 来说, 其具有较大的响应幅度和较大 到广泛应用的大尺度海洋平台, 它的大吃水柱状主 的响应周期. 体结构决定了它在一定的流速条件下也会产生旋涡 Spar 平台按照其发展历史主要可分为三种类型: 脱落, 从而产生相应运动现象的特性; 此外, 它相对 常规式(Classic)Spar 平台、桁架式(Truss)Spar 平台以