[发明专利]一种考虑长径比影响的浮式圆柱涡激运动分析系统及方法

说明书

本发明公开了一种考虑长径比影响的浮式圆柱涡激运动分析系统及方法，浮式圆柱模型竖直漂浮在波流水槽内，四根在同一平面两两垂直的弹性系泊缆一端固定在浮式圆柱模型上、另一端固定在水槽内壁，浮式圆柱模型的直径两端分别安装有两个横流向压力传感器和两个顺流向压力传感器，用于测量横流向与顺流向的动水压力，浮式圆柱模型顶部安装加速度传感器，用来获得横流向及顺流向位移；通过调整浮式圆柱模型的压载重量及水槽内水面高度，来改变模型的吃水，并始终保持圆柱的漂浮状态，获得多种长径比的浮式圆柱模型效果。本发明的有益效果是能够准确的模拟分析不同长径比浮式圆柱涡激运动。

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种考虑长径比影响的浮式圆柱涡激运动分析系统及方法。

背景技术

长期以来，工程上对涡激振动(Vortex-Induced Vibrations,VIV)现象进行了大量的研究。涡激振动是结构物在一定的来流速度下，其下游产生了周期性的涡旋泄放，引起脉动压力，从而致使结构发生振动。海洋工程中，研究较为广泛的是海底油气管道、立管等极大长径比柔性结构的涡激振动现象。自上世纪九十年代，Spar海洋平台第一次应用在墨西哥湾水深588m的水域，其在环墨西哥湾洋流作用下的低频、大幅运动成为工业界关注的热点。一方面，Spar平台的主体结构为深吃水的立柱结构，在一定流速作用下同样会发生涡旋的泄放，所以根据涡激振动的理论，Spar平台同样表现出相应的运动特征；另一方面，由于平台为刚性结构，长径比相对较小，且漂浮于水面之上，从而表现出许多与涡激振动不同的运动特性。为了加以区别，将这种运动称为涡激运动(Vortex-Induced Motions,VIM)。大幅值的涡激运动会导致立管与锚链的疲劳损伤，降低疲劳寿命。随着海洋平台所处水域的水深更大、环境更恶劣，同样具有立柱式结构的Monocolumn平台应运而生，由于平台吃水降低，而具有更小的长径比，导致其涡激运动相比于Spar平台表现出更加强烈的三维特性。

涡激运动的研究方法包括：实地监测研究、CFD模拟研究和模型实验研究。实地监测可以获得平台涡激运动的第一手资料，但由于监测周期长、成本高昂，相关资料十分有限。CFD模拟有着省时、直观、高效的特点，被越来越多学者所应用，但由于涡激运动的复杂性和特殊性，CFD模拟需要考虑网格敏感度、边界层模拟、表面粗糙度、湍流模型等多个方面，因此必须结合模型实验共同进行。模型实验是涡激运动研究的主要方法，主要包括三种形式：一是静水拖曳实验；二是循环水槽实验；三是水池造流实验。三种方法优缺点明显：在拖曳水池中展开实验可以选择具有较大缩尺比的模型和相对较大的流速，但水池最大长度是有限的，所以采样时间十分有限，而且只能对均匀流进行模拟；在循环水槽展开实验可以保证充足的采样时间，以获得足够的统计数据，但循环水槽尺寸普遍较小，对模型的缩尺比有限制；在海洋工程水池造流，虽然可以模拟均匀流和非均匀流，且采样时间可以保证，但所造流速相对较小，有时达不到实验效果的要求。

长径比是指圆柱没入流体中的长度与其直径的比值。涡激振动的研究对象主要是立管、海底管线等细长体结构，长径比的影响力极小，可以忽略不计；而涡激运动研究的对象为Spar、Monocolumn等海洋浮式结构物，其长径比极低，需要考虑其对涡激运动的影响。流体中低长径比圆柱的研究多集中在平板上直立有限长圆柱的绕流分析。Kawamura研究了长径比的改变对圆柱下游涡泄模式的影响。Park采用粒子成像法研究了长径比L/D＝6的圆柱在雷诺数Re＝7500时的流动现象。Sumner研究了低长径比圆柱的尾流速度场，并利用压力传感器研究了不同长径比L/D＝3、5、7、9圆柱的涡泄模式变化。圆柱涡激特性中，针对长径比这一影响因素所开展的研究非常少。Goncalves利用两种弹性支撑方式(钟摆式、悬臂梁式)，对质量比1＜m*＜3，长径比1＜L/D＜2的圆柱进行实验，得出随着长径比的下降振幅也随之下降。随后Goncalves选择悬臂梁弹性支撑方式，对多组长径比圆柱进行实验，得出：低长径比条件下涡激振动频率不再符合高长径比下涡激振动的相关规律，这与长径比降低导致了涡泄模式的改变有关。

发明内容