Spar平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究進展

1、Sp a r 平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究進展王穎 ,楊建民 ,楊晨俊(上海交通大學(xué) ,上海 200030)摘 要 : 介紹了目前國際上 Spa r 平臺渦激運動研究的概況 ,并從渦激運動的形成機理 、渦激運動響應(yīng)特征 、渦激運動抑制方法 、渦激運動研究及預(yù)報方法等幾個方面對其關(guān)鍵特性進行了詳細闡述 ,提出了這一課題 未來研究方向的有關(guān)建議 。關(guān)鍵詞 : Sp ar 平臺 ;渦激運動 ;減渦側(cè)板 ; CFD ;模型試驗中圖分類號 : P75文獻標識碼 : AREVIEW O N THE STUDY OF SPA R VO RTEX2I ND UCEDMOTIO NS KEY C HA RACTER

2、ISTICYA N G J ia n2mi n ,YA N G Che n2j unWA N G Yi ng ,( Sha nghai J iao To ng U nive r sit y , Sha nghai 200030 , Chi na)Abstract : Thi s p ap e r review s t he rece nt st udie s relat ed to sp a r vo rt e x i nduce d mo tio n p he no me no n , a nd p re se nt s so me key poi nt s o n t he vo r t

3、e x sheddi ng mec ha ni sm , t he re spo n se c ha ract e ri stic s , t he supp re ssio n met ho d , t he mo del t e st a nd C FD si mulatio n i n det ail . A nd so me sugge stio n s fo r f ur t he r st udie s i n t hi s fiel d a re p ropo sed.Keywords : sp a r p latfo r m ; vo r t e x i nduce d mo

4、tio n s ; helical st ra ke ; C FD ; mo del t e st引言0在工程各界 ,對物體在空氣、水等流體介質(zhì)中渦激振動 ( Vo r t e x2Induced Vi bratio n s , V IV ) 現(xiàn)象的研究由來已久 。渦激振動是在一定速度的來流中 ,由物體背后交替瀉渦導(dǎo)致的脈動壓力而引起的結(jié)構(gòu)振動 ,可 能發(fā)生在不同的結(jié)構(gòu)上 ,如橋梁、電纜、工廠的煙囪 、海洋管線等。在海洋工程領(lǐng)域中 ,目前研究比較廣泛、成果較多的是海洋平臺立管及海底管線等大長細比柔性結(jié)構(gòu) 物的渦激振動。而 Sp a r 平臺作為近十年間才問世并得到廣泛應(yīng)用的大尺度海洋平臺 ,一

5、方面 ,它的大吃水 柱狀主體結(jié)構(gòu)決定了它在一定的流場條件下產(chǎn)生漩渦脫落 ,從而根據(jù)渦激振動原理 ,也將產(chǎn)生相應(yīng)運動現(xiàn) 象的特性 ;另一方面 ,它相對較小的縱橫比 、整個結(jié)構(gòu)體的剛性特征 ,以及作為海洋平臺特有的漂浮 、錨泊和 水動力性能 ,又使得它在漩渦脫落的作用下 ,顯示出與海洋立管等細長體完全不同的運動特征。Sp a r 平臺的柱形主體在強流作用下引起漩渦脫落 ,從而產(chǎn)生大幅的水平運動 ,增加立管及錨泊系統(tǒng)的載荷 1 。為了區(qū)別于一般的渦激振動 , 將 Sp a r 平臺這種獨有的運動響應(yīng)稱為渦激運動 ( Vo r t e x2Induced Mo tio n s ,V IM) 。Sp a

6、 r 平臺的渦激運動 ( V IM) 是渦激振動 ( V IV) 中的一個特例 ,它的響應(yīng)幅值很大 ,周期較 長。自從這種特殊的運動響應(yīng)在安裝于墨西哥灣的 Sp a r 平臺上發(fā)生并引起重視 ,海洋工程領(lǐng)域便誕生了一收稿日期 : 2007 - 12 - 29基金項目 : 國家 863 重大項目課題 (2006A A09A107)作者簡介 : 王 穎 (19822) ,女 ,博士生 ,從事船舶與海洋工程方面的研究。·2 ·中 國 海 洋 平 臺第 23 卷 第 3 期個新的研究課題。目前 ,國際上的一些研究機構(gòu)已相繼開展關(guān)于 Sp a r 平臺渦激運動的研究 。相對于其排水量

7、來說 , Sp a r 平臺水線面小 ,重心低 ,這使得 Sp a r 平臺擁有極好的穩(wěn)性 ,并且對波浪激勵 具有較小的響應(yīng)。這些優(yōu)良性能使得 Sp a r 平臺很快得到業(yè)界的認可并進入繁榮發(fā)展的時代。但是與其他 類型的海洋平臺相比 , Sp a r 平臺在強流作用下容易發(fā)生渦激運動這一特性決定了在設(shè)計和研究過程中必須對相關(guān)方面進行更加嚴密的考慮 。自從第一座 Sp a r 平臺安裝于墨西哥灣以來 , Sp a r 平臺主體的形狀已從 單獨的“常規(guī)式”( Cla ssic Sp a r) 概念進化產(chǎn)生“桁架式”( Tr u ss Sp a r) 和“多柱式”( Cell Sp a r ) 等概

8、念 ,所有這些不同形式的 Sp a r 平臺在一定的來流條件下都可能發(fā)生渦激運動。觀測數(shù)據(jù)表明 ,有些已安裝并投入使用的 Sp a r 平臺在較高流速下已出現(xiàn)過渦激運動幅值高于設(shè)計期間預(yù)計值的情況 1 。例如 ,2001 年 4 月發(fā)生 在墨西哥灣的 Mille nni u m 渦流作用下 ,安裝在墨西哥灣 Gree n Ca nyo n Bloc k 205 的 Chevro n Te xaco Ge ne2 si s Sp a r 平臺 ,經(jīng)歷了比錨泊及立管系統(tǒng)初始設(shè)計預(yù)報值大得多的渦激運動 最大的響應(yīng)幅值達到了主 體直徑的 40 % ,遠遠超過在百年一遇渦流中最大響應(yīng)幅值 17 %的設(shè)計

9、預(yù)報值 2 。對于海洋結(jié)構(gòu)物來說 ,渦激運動會增加錨鏈和立管的疲勞破壞 ,縮短總體疲勞壽命 ,增加結(jié)構(gòu)物上的總 阻尼。對于錨泊系統(tǒng)和立管設(shè)計來講 , Sp a r 平臺的渦激運動的估計非常重要 ,這是因為 ,通常的水動力性能 研究中 ,只考慮一階 6 自由度運動和二階的縱蕩 、橫蕩 、首搖 3 個平面運動。如果渦激運動現(xiàn)象不予考慮的 話 ,疲勞分析及錨鏈最大張力的結(jié)果都將偏小 ,導(dǎo)致過低估計錨鏈和立管的尺度參數(shù)。相關(guān)的數(shù)據(jù)和研究 方法在 Ma gee 等 (2003) 、H ua ng 等 (2003) 關(guān)于錨鏈設(shè)計研究以及 Bai 等 (2004) 關(guān)于立管特性研究的文章中 都有提及 3 。

10、國內(nèi)外研究概況目前 ,國際上已有多家研究機構(gòu)展開 Sp a r 平臺渦激運動方面的研究 ,而國內(nèi)相關(guān)方面的研究才剛剛起 步。2003 年 , Tr u ss Sp a r 的概念提出不久 ,為了研究這種 Sp a r 的渦激運動響應(yīng)特征 ,優(yōu)化側(cè)板形式 , Ra d2 bo ud va n Dij k 等 4 在荷蘭 MA R IN 水池進行了模型試驗 。改變來流方向角和流速 ,研究了可能的尺度效應(yīng) 以及主體表面粗糙度對模型試驗結(jié)果的影響 ,并研究了渦激運動模型試驗的可重復(fù)性以及表示實尺度情形 的可靠性 。Va n Dij k Ra dbo ud R. T. 等 5 于 2003 年進行了模型

11、試驗 ,對一座 Tr u ss Sp a r ,分別模擬了一個完整的 錨泊系統(tǒng)以及一個簡化的水平錨泊系統(tǒng) ,研究了錨泊系統(tǒng)對平臺渦激運動的影響 ,并將模型試驗結(jié)果與該 平臺在剪切流 ,如墨西哥灣颶風(fēng)流作用下的運動響應(yīng)進行了比較。L . D . Fi nn 6 2003 年對一座 Cell Sp a r 平臺提出了幾種可供參考的新的減渦側(cè)板外形 ,并進行了一系列 拖曳水池模型試驗 ,測量渦激運動響應(yīng) ,并改變具體的平臺參數(shù) ,來研究 Sp a r 主體及錨泊系統(tǒng)特征對其渦激運動響應(yīng)的影響 ,得到側(cè)板優(yōu)化后的渦激運動響應(yīng)結(jié)果。Allan Magee 等 7 2003 年研究了考慮渦激運動而進行的錨

12、泊系統(tǒng)設(shè)計。突出了環(huán)流海況的方向分布 ,以及 考慮 Spar 錨鏈方向影響和渦激運動之間關(guān)系的必要性。例如 ,流速和不同來流方向下由錨泊系統(tǒng)布置的不對 稱性導(dǎo)致的不同橫蕩固有周期 ,會使折合速度發(fā)生變化。另外 ,Spar 的渦激運動響應(yīng)本身也由于不對稱的側(cè)板 布置及其他不對稱的主體外部附屬物而呈現(xiàn)方向性。由渦激運動引起的方向剛度和拖曳力增加也可能影響最大位移和錨鏈力。采用兩種分析方法來得到渦激運動引起的錨鏈載荷。第一種 ,DRIV ESIM ,強迫 Spar 主體以 給定振幅做“8”字型運動。錨鏈力與拖曳力一致 ,由主體拖曳力系數(shù)得出 ;第二種 , FORCE2I T ,對主體施加一個 力 ,

13、使其達到需要的渦激運動振幅 ,從而使錨泊系統(tǒng)的非線性特征滿足動平衡。Ira ni 和 Fi n n 8 2004 年對 Sp a r 渦激運動進行了低 R e 數(shù) 6 自由度的模型試驗 , Yung 等 9 2004 年進行了 較高 R e 數(shù)模型試驗方法的研究。Smit h Da vi d W. 等 2 2004 年采取后報的方式 ,在過去發(fā)生的渦激運動事件中估計系統(tǒng)的疲勞及損毀程 度 ,從而致力于研究在未來可能發(fā)生的大規(guī)模渦激運動中保證平臺結(jié)構(gòu)完整及安全性的永久性解決方法 。他們進行的工作有 :分析錨鏈拉力的實測數(shù)據(jù) ; 估計導(dǎo)纜孔處錨鏈線的應(yīng)力集中情況 ; 大幅/ 低周條件下疲1第 3

14、期王 穎等 Sp ar 平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究進展·3 ·勞破壞估計 ;累積損耗情況估計 ;根據(jù)針對 Ge ne si s Sp a r 疲勞分析的結(jié)果 ,提出了改進方案 :為保證足夠的疲勞強度 ,降低在未來可能發(fā)生的渦激運動下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險 ,建議替換 14 根錨鏈當中 4 根的導(dǎo)纜孔處 鏈條部分 。Bybee 和 Ka re n 10 在 2005 年通過理論分析 、模型試驗及實地測量等各種方法 ,對 Cla ssic Sp a r 渦激運動進行預(yù)報 ,同時關(guān)注錨鏈和立管在渦激運動下的疲勞。Oa kley J r . Owe n H 等 1 2005 年研究了 C

15、la ssic Sp a r 平臺分別在均勻流和剪切流中的渦激運動。研究 了對颶風(fēng)流或環(huán)流引起的分層流的模擬方法 ,提出了模型試驗和數(shù)值模擬的相關(guān)建議 ,討論了來流溫度和鹽度變化引起的浮力變化的潛在影響。比較了小縮尺比下模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果 ,并用 C FD 方法 ,采用分離渦模擬 (D ES) 湍流模型預(yù)測了實型的渦激運動情況。Ira ni 等人 11 在 2005 年進行了一系列模型試驗 ,以研究 Tr u ss Sp a r 的螺旋式減渦側(cè)板的有效性 ,試驗 模擬了包括平臺主體及桁架幾何形狀、質(zhì)量和錨泊系統(tǒng)特性等重要參數(shù) ,測試了不同的側(cè)板形式 ,考慮了渦激運動中 Sp a r 平臺螺

16、旋式側(cè)板強度和疲勞并提出有效的改進方案 ; Thia ga raja n K. P. 等 12 2005 年用 C FD工具 ,對光滑圓柱和安裝側(cè)板的圓柱在均勻流中的渦激運動特征進行了比較 ,所用的圓柱與 Ira ni 等 2005 年 模型試驗中的 Tr u ss Sp a r 模型的硬艙部分相同 。Hal kya r d J o h n 等 13 2005 年利用模型試驗對一座 Tr u ss Sp a r 平臺的 C FD 模擬結(jié)果進行驗證 ,并進行 了 C FD 基準研究 。模型試驗在拖曳水池中進行。著重研究來流方向、折合速度和側(cè)板螺距對渦激運動響應(yīng) 的影響。所有的計算和試驗都針對 1

17、 40 的模型進行 。進行了拖曳試驗后 ,也用同一模型在海洋工程水池中造流進行了試驗。模型自由漂浮 ,通過代表錨鏈剛度的 4 個線性彈簧連接在拖車上 。試驗 R e 數(shù)范圍為40 000150 000 ,折合速度為 311 。Kalli nde ri s Ya n ni s 等 14 2005 年通過一個流固強耦合求解的數(shù)值方法研究了渦激運動中數(shù)值求解過程 的穩(wěn)定性和計算量、流固耦合求解器限制的時間步長、3D 計算的額外計算網(wǎng)格數(shù) 、高 R e 數(shù)下湍流模型的精 度和計算量等問題。采用了介于 RA N S 方程 Sp ala r t2All ma ra s 模型之間的湍流模型 ,使得求解器可以

18、采用 更大的時間步長而不降低精度和高 R e 數(shù)下的計算穩(wěn)定性 。巴西的 Cueva Ma rco s 等 3 于 2006 年采用模型試驗方法對一個增強型自安裝單柱浮式平臺 ( Enha nced Self In st alled Si ngle Col u mn Float e r , ESISC F) 的概念進行了模型試驗研究 ,這是一個幾何形狀和 Sp a r 平臺 相似的概念 ,但是吃水較淺 ,并且外部安裝有圓環(huán)。采用了 1 200 的模型 ,其中為了保證試驗及其對應(yīng)的真實情況的邊界層粘性流場的相似性 ,對粗糙度及表面附屬物情況給予了特別的重視 。Sa mp at h A t l u

19、ri 等 15 于 2006 年采用 1 40 縮尺比的模型 ,用 CFD 的方法研究了側(cè)板開孔及表面附屬 物對 Tr u ss Sp a r 平臺渦激運動的影響 ,并與模型試驗進行了比較 。同時研究了網(wǎng)格敏感度和湍流模型 。考 慮了不同的來流方向及流速 , R e 數(shù)范圍為70 000200 000 。2006 年 , Hal kya r d J o h n 等 16 在 2005 年研究成果的基礎(chǔ)上 ,繼續(xù)通過模型試驗與 C FD 計算的對比而進行基準研究。研究了在使用 C FD 過程中如何進行建模和網(wǎng)格劃分才能得到最準確的結(jié)果。估計了一座 Tr u ss Sp a r 平臺上 4 組式減

20、渦側(cè)板變換側(cè)板螺距的影響 ,給出了 CFD 計算過程中在大 R e 數(shù)條件下湍流模 式選取和網(wǎng)格劃分相關(guān)問題的一些建議。他們的研究仍在進行。A nto nio Pi nto 等 17 在 2007 年用 C FD 模擬的方法 ,研究了較高 R e 數(shù) ( 約 105 ) 下安裝螺旋側(cè)板的圓柱 周圍的三維流場、渦的結(jié)構(gòu)以及渦脫頻率 ,同時對側(cè)板效率進行了研究 ; Guil he r me Vaz 等 18 在 2007 年用 C FD 方法 ,采用不同的 R e 數(shù)和湍流模型 ,詳細研究了三維光滑圓柱周圍的流場 ,并進行了模型試驗及驗證 ; Raf ael S. Gio ria 等 19 200

21、7 年對振動圓柱周圍的三維流場進行了直接數(shù)值模擬 ,將振動柱體的三維尾流特 征與固定柱體進行了比較 ,并研究了振幅對流場的影響。J ua n P. Po nt aza 等 20 2007 年用 C FD 方法 ,采用了幾種比較先進的湍流模擬方式 ,研究了光滑及粗糙 圓柱體在不安裝側(cè)板和安裝側(cè)板的不同狀態(tài)下的流場情況 ,考慮了較高 R e 數(shù) (105 ,106 ) ,而后考慮了橫向和流向兩個方向的振動 ,在邊界層使用合適尺寸的網(wǎng)格來直接模擬 ,而沒有采用壁面函數(shù)。·4 ·中 國 海 洋 平 臺第 23 卷 第 3 期Ti m Fi nni ga n 等 21 2007 年進

22、行了超臨界 R e 數(shù)區(qū)域范圍內(nèi)的 Sp a r 平臺渦激運動模型試驗 ,由于水池深度的限制 ,只模擬了 Tr u ss Sp a r 平臺的主體部分。模型試驗在 Ma r yla nd 的 Da vi d Taylo r Mo del Ba si n (D TMB) 水池中進行 ,模擬了 6 個自由度的運動。模型直徑 1 . 75 m (5 . 74f t ) ,吃水為 2 . 95 m (9 . 68f t ) ,相對于 實型的縮尺比為 1 22 . 3 。Owe n H . Oa kley 等 22 2007 年用 C FD 方法對一座 Tr u ss Sp a r 進行詳細建模 ,測試

23、了新的網(wǎng)格劃分技 術(shù) ,研究主體表面附屬物的作用 ,研究 C FD 模擬得到的運動及載荷與基準模型試驗的對比情況?？梢钥闯?, Sp a r 平臺渦激運動的研究 ,已從開始的模型試驗獨占市場 ,漸漸發(fā)展為模型試驗與 C FD 數(shù) 值模擬并重 ,表明隨著計算硬件及 C FD 技術(shù)本身的不斷進步和提高 , C FD 方法已達到一定的精度 ,可以得到較高質(zhì)量的預(yù)報結(jié)果 ,與模型試驗相互輔助和驗證。2 Sp a r 平臺渦激運動形成機理及特征2 . 1 相關(guān)海洋環(huán)境及海流特征Sp a r 平臺多安裝并應(yīng)用于墨西哥灣海域。在墨西哥灣 ,進行渦激運動相關(guān)研究所考慮的設(shè)計海況主要 有兩種 :深層渦/ 環(huán)流

24、,以及颶風(fēng)慣性流 。環(huán)流 (loop cur re nt ) 是迂回于墨西哥灣東部的一種強流特征 (圖 1) ,通過尤卡坦海峽向墨西哥灣內(nèi)注入海水并通過佛羅里達海峽流出。每隔 612 個月 ,一個直徑達 322 k m (200 mile) 的漩渦由環(huán)流中產(chǎn)生并逐漸 穿過墨西哥灣向西移動 ,頻繁進入石油勘探及生產(chǎn)區(qū)域。若干個漩渦也可能同時出現(xiàn) 。這些漩渦在水面以 下相當深處 (可能深達 150200 m) 的區(qū)域中仍然有較高的流速 2 ,流速可能超過 4 k n ( 2 . 05 m/ s) ,很容易導(dǎo) 致渦激運動的發(fā)生。由于環(huán)流可深至整個平臺的吃水深度 ,常常模擬為高速的均勻流 。環(huán)流在墨西

25、哥灣深水海域持續(xù)時間長達 25 % 7 ,墨西哥灣的所有 Cla ssic Sp a r 在強環(huán)流條件下都有渦激運動的記錄 ( Yu ng et al . 2004) 12 。對于大多數(shù)安裝應(yīng)用于墨西哥灣的 Sp a r 平臺來說 ,當平臺在出現(xiàn)長時間遭遇環(huán)流渦的情況 下 ,環(huán)流渦導(dǎo)致的錨泊系統(tǒng)的疲勞破壞不斷積累 ,可能會接近錨泊系統(tǒng)的臨界強度。有人提出 ,應(yīng)用 A P I 針 對風(fēng)暴海況校準的強度設(shè)計安全系數(shù)來考慮環(huán)流渦條件 ,可能無法提供足夠的安全系數(shù) 23 。在墨西哥灣一些區(qū)域 ,另一種重要的水動力設(shè)計海況是在颶風(fēng)過后不久出現(xiàn)的高速流 ,稱為“颶風(fēng)慣性 流”或“颶風(fēng)流”( h ur ri

26、ca ne cur re nt ) 。圖 2 給出了這種颶風(fēng)流與一個百年一遇渦/ 環(huán)流的剖面形狀比較 。颶 風(fēng)流的流速可能比環(huán)流速度更大 ,但是颶風(fēng)流作用的深度比環(huán)流淺 ,一般來說限制于 Sp a r 平臺的上三分之 一部分 ,而下面的海水相對來說流速很小。雖然在這種情況下渦激運動可能稍小 ,但是渦激運動、颶風(fēng)產(chǎn)生的波浪及較大的錨鏈張力的共同作用使之成為重要的設(shè)計海況 1 。由于這種流的深度比 Sp a r 平臺的吃水 要小 ,因此在均勻流中進行的模型試驗并不能體現(xiàn)實型流的真實情況 。這種海況下 ,錨鏈除了流致渦激運 動引起的載荷之外 ,此時波浪盡管比風(fēng)暴當時要小 ,卻能在錨鏈上引起顯著的載荷

27、 ,因此需要更精密的試 驗。目前已經(jīng)有研究人員用 CFD 模擬進行過包含波浪影響的計算。第 3 期王 穎等 Sp ar 平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究進展·5 ·對于渦激運動研究來說 ,目前所掌握的海洋環(huán)境資料顯然是不夠充分的 ?，F(xiàn)有的基于環(huán)流渦的數(shù)據(jù)資料最多只有過去 25 年的記錄 ,缺乏不同地段局部區(qū)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù) ,同時對流速剖面、持續(xù)時間等進行模擬時 也缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗值 。另外 ,隨著海洋工程技術(shù)的不斷發(fā)展和進步 , Sp a r 平臺必將更廣泛應(yīng)用于世界各地 的不同海域。關(guān)于海洋環(huán)境參數(shù)等方面 ,還需要海洋氣象學(xué)者進一步對相關(guān)資料有針對性地收集 、整理和總結(jié)。2 . 2

28、渦激運動形成機理Sp a r 平臺主體部分為圓柱體或多個圓柱體的組合 ,當海流經(jīng)過時 ,在一定的 R e 數(shù)范圍內(nèi) ,水的黏性引 起邊界層分離并在 Sp a r 主體結(jié)構(gòu)后方產(chǎn)生周期性的漩渦脫落 ,渦脫落使主體后方壓力降低 ,產(chǎn)生拖曳載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)流向運動 ,同時 ,由于渦脫落是在主體兩側(cè)交替進行 ,也產(chǎn)生垂直于流向的周期性震蕩的升力 ,正 是這種周期性激勵的作用導(dǎo)致了 Sp a r 平臺渦激運動的發(fā)生 。這是一種十分典型的流固耦合問題。在漩渦 脫落的激振力作用下 ,如果平臺的固有頻率和激勵頻率接近 , 就會產(chǎn)生共振 , 產(chǎn)生大幅度的運動。試驗發(fā) 現(xiàn) ,當來流的折合速度處于一定的范圍內(nèi)時 ,漩渦

29、脫落的頻率不再隨來流速度而增加 ,而是和柱體的自振頻 率保持一致 ,從而產(chǎn)生鎖定效應(yīng)。鎖定效應(yīng)擴大了共振范圍 ,引起渦激運動持續(xù)進行 ,運動幅度增大 ,同時由于波浪質(zhì)點的往復(fù)運動 ,造成主體前后都有漩渦脫落 ,流動和受力情況更為復(fù)雜。渦脫頻率與流速成正比 ,與平臺主體圓柱直徑成反比。Sp a r 平臺作為大尺度的海洋平臺 ,與海洋立管 等小尺度構(gòu)件相比 ,來流經(jīng)過的后方 ,渦脫落的周期較長 。例如 ,在 Ge ne si s Sp a r 作業(yè)地點 ,常見流速為 14 k n 的環(huán)流作用下 ,一個大的漩渦在直徑尺度為 2040 m 量級的 Sp a r 平臺主體后方形成并脫落需要幾百秒( mi

30、 nut e s) 的時間 2 。對 Sp a r 來說 ,環(huán)流及其產(chǎn)生的漩渦會在海平面下保持較高的速度 ,在整個 Sp a r 主體上產(chǎn)生很大的渦激 運動激勵 ;同時 ,颶風(fēng)流也可以使 Sp a r 產(chǎn)生較大的渦激運動 。渦激運動不僅關(guān)系到平臺運動過程中的最大 位移 ,同時影響著立管及錨泊系統(tǒng)的載荷等重要參數(shù) ,它會對系泊系統(tǒng)和立管產(chǎn)生疲勞損害 ,減少整個平臺 的疲勞壽命 ,同時增大作用在主體上的拖曳力。2 . 3 渦激運動響應(yīng)特征2 . 3 . 1 主導(dǎo)運動Sp a r 平臺的系泊系統(tǒng)允許平臺做 6 個自由度的運動 :縱蕩、橫蕩、垂蕩 、縱搖 、橫搖和艏搖 。但是只有水 平面內(nèi)的位移 ,即

31、縱蕩和橫蕩是流致渦激運動的主導(dǎo)運動。通常假定縱蕩方向與來流方向一致 ,而橫蕩方向為產(chǎn)生橫向渦激運動的主要方向 16 。在橫向渦激運動發(fā)生的同時 ,沿著來流方向也有周期振蕩的拖曳力 (頻率為橫向升力的 2 倍) ,引起流向 (縱蕩方向) 的振動 ,但其振幅小于橫向振蕩。因此圓柱形 Sp a r 平臺主體渦激運動的軌跡通常成“8”字形 2 。 而經(jīng)模型試驗證明 ,安裝螺旋側(cè)板后的 Sp a r 平臺 ,由于側(cè)板的減渦作用對運動的抑制 ,運動軌跡可能呈“香 蕉”形或小半圓形。渦激運動主導(dǎo)運動位于水平面內(nèi) ,大幅的水平運動會導(dǎo)致錨鏈張力峰值的出現(xiàn) ,而錨鏈張力峰值在設(shè) 計過程中是控制錨鏈破斷強度要求的

32、關(guān)鍵參數(shù) ; 并且反復(fù)的周期性載荷將導(dǎo)致疲勞臨界載荷。因此 ,如果 錨泊系統(tǒng)設(shè)計考慮平臺在流中的運動 ,則渦激運動振幅及與其相關(guān)的拖曳力 ,是錨泊系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)考 慮的重要決定性因素之一 16 。2 . 3 . 2 影響因素和特征參數(shù)模型試驗和實型測量數(shù)據(jù)都表明 , Sp a r 平臺的渦激運動是非常復(fù)雜的問題 ,與很多參數(shù)有關(guān) ,包括平臺 主體特征 、錨泊系統(tǒng)動力特性 ,以及流的特征 ( 流速剖面 、湍流、流向等) 等等。影響渦激運動的平臺主體特 征包括 Sp a r 平臺種類 ( Cla ssic , Tr u ss o r Cell Sp a r) 、側(cè)板覆蓋情況、主體附屬物 (錨鏈

33、、導(dǎo)纜孔、管線等) 。影 響 Sp a r 渦激運動的平臺動力特征則主要考慮垂直于來流方向的橫向運動的固有周期及其與渦脫周期之間的關(guān)系 6 8 。因此 , Sp a r 平臺的渦激運動預(yù)報根據(jù)平臺概念和工作海域的不同而呈現(xiàn)特定性 。水深的不同 ,環(huán)流和·6 ·中 國 海 洋 平 臺第 23 卷 第 3 期渦流的存在 ,錨泊和立管系統(tǒng)的性能 ,都是影響渦激運動預(yù)報的重要方面 。另外 ,對渦激運動來說 ,錨泊系統(tǒng)回復(fù)剛度的不對稱性和三維流的作用等將使問題變得更復(fù)雜 3 ?？傮w來說 ,錨泊定位的 Sp a r 平臺的渦激運動特征主要由以下幾個參數(shù)決定 4 : (1) R e 數(shù)

34、: R e = U c g D/ vS t 數(shù) : S t = f v g D/ U c( 2)U c g Tn折合速度 :U r =( 3),D( 4) 無量綱振幅 : A / D = ( A max - A min ) / ( 2 D)其中 :U c 為來流速度 , D 為 Sp a r 平臺主體直徑 , v 為水的運動黏性系數(shù) , f v 為渦脫頻率 , Tn 為 Sp a r 平臺 在靜水中的橫蕩固有周期 , A 為渦激運動振幅。2 . 3 . 3 “鎖定”與“解鎖”與僅在很窄的頻率帶內(nèi)發(fā)生的機械共振不同 ,渦激運動的共振現(xiàn)象在較大的流速范圍內(nèi)都會持續(xù) 。在 某些流速下 ,渦脫頻率 (

35、也就是變換的升力的頻率) 將達到系泊 Sp a r 平臺橫蕩的共振頻率。此時主體的橫蕩 運動開始增加 ,會發(fā)生大幅的持續(xù)穩(wěn)定振動現(xiàn)象 ,稱為“鎖定”( loc k i n) ?！版i定”現(xiàn)象的發(fā)生是因為 ,隨著流 速的增加 ,圓柱結(jié)構(gòu)的橫蕩附加質(zhì)量發(fā)生了變化 。隨著流速的繼續(xù)增加 ,渦激運動開始消減 ,稱為“解鎖”(lock o ut ) 。圖 3 描述了一個典型的渦激運動特征參數(shù)隨來流速度的變化過程 。其中上面的圖給出了渦脫頻率 ( f vim ) 與橫蕩固有頻率 ( f n ) 之間的比值隨折合速度的變化。下面的圖給出了 V IM 幅值 A 與主體直徑D 的比值隨折合速度的變化。所有的量都是

36、無量綱量 。圖 3 渦激運動頻率及幅值隨折合速度的變化由圖中可以看出 , U r < 5 時 , 幾乎沒有渦激運動 , 并且渦脫頻率隨來流速度的增加而線性增加。隨著 U r增加 , 從 U r 5 開始 ,渦脫頻率鎖定在橫蕩的固有頻率上 ,也就是說 , Sp a r 的運動導(dǎo)致渦脫頻率不再隨著來 流速度的增加而增加 ,而是保持約等于橫蕩固有頻率不變。由于鎖定的影響 ,平臺的橫蕩運動 ( 與來流方向 垂直方向) 以接近 Tn 的周期振蕩 ,渦激運動的幅值增加并出現(xiàn)峰值 ,幅值可達到平臺直徑的量級 ,平均拖曳 力 (流向) 隨著運動幅值成比例增加。U r > 89 時 ,鎖定將不再保持

37、 ,渦脫頻率回歸由來流決定的正常值 ,渦激運動幅值減小。這就是渦激運動的“鎖定”和“解鎖”過程的典型實例 4 。模型試驗表明 ,導(dǎo)致鎖定現(xiàn)象的折合速度范圍是有限的 ,這就是說 ,雖然強于墨西哥灣環(huán)流的洋流可能 發(fā)生 ,但是最大的渦激運動響應(yīng)可能并不在最高流速下出現(xiàn) 。渦激運動鎖定的流速范圍是最值得引起注 意的 7 。第 3 期王 穎等 Sp ar 平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究進展·7 ·3 渦激運動的抑制方法3 . 1 渦激運動抑制方法的提出及驗證渦激運動問題一經(jīng)發(fā)現(xiàn)和提出 ,研究人員就在不斷探索減小渦激運動的方法。目前工業(yè)界已可通過一 定方法將渦激運動降低至可以接受的范圍內(nèi)

38、。曾經(jīng)分別有人提出了“主動法”和“被動法”兩種減渦策略 , Ko rp u s 等 (2005) 采用平均雷諾應(yīng)力 N2S 方程 ( RA N S) 方法對其效果分別進行了評估 。主動法 ,即在 Sp a r 平臺圓柱體沿來流的切線方向注入流體 ,以達到整流減渦的目的。被動法 ,即安裝外部減渦裝置。經(jīng)比較 , 主動注入流體的方法非常有效 ,甚至可以完全消減渦激運動 ;被動減渦法也有十分顯著的效果 ,但是較主動 法稍差 24 。雖然所謂的主動減渦法有相對較高的效率 ,但是并沒有能夠廣泛地應(yīng)用到實際中。這是因為 , 和微氣泡減阻類似 ,在物體附近注入 ( 噴射) 流體 ,費用相當昂貴 ,且不易控制

39、 ,運用到實際工程中是非常不 現(xiàn)實的。相對而言 ,被動法雖然減渦效果稍遜一籌 ,卻因為安裝和施工的方便性和經(jīng)濟性得到了更多的青 睞。因此 ,在 Sp a r 主體表面安裝螺旋式減渦側(cè)板來減小 Sp a r 的渦激運動是目前最典型也是最常用的減渦 方法 4 。在利用減渦側(cè)板打破沿 Sp a r 長度方向上漩渦脫落的一致性的同時 ,調(diào)整錨泊系統(tǒng) ,盡量使 Sp a r 的 固有頻率遠離渦脫頻率。實驗研究表明 , 通過在 Sp a r 殼體上加裝螺旋狀的側(cè)板 , 可以有效地減小渦激運動。環(huán)繞在柱體周圍的 減渦側(cè)板通過打亂沿柱體長度方向上漩渦的相關(guān)性而減小柱體表面由流動引起的橫向作用力。Bea r m

40、a n 和 B ra nko vic (2004) 提出 ,減渦側(cè)板通過在分離流中引入三維特性及破壞渦脫落的規(guī)律性而達到減渦效果。3 . 2 螺旋式減渦側(cè)板的形式及特征目前已設(shè)計建造并投入使用的 Sp a r 平臺主要有 3 類 :即 Cla ssic Sp a r , Tr u ss Sp a r 和 Cell Sp a r 。Cla ssicSp a r 主體為圓柱 ,約 213 m (700f t ) 長 ,直徑 2237 m ( 72122f t ) ; Tr u ss Sp a r 的主尺度和 Cla ssic Sp a r 大體 相當 ,但上部為圓柱體、下部為桁架結(jié)構(gòu)組成 ; Ce

41、ll Sp a r 是最新一代的 Sp a r 平臺 ,主體由一組小直徑圓柱環(huán)繞中央主體并捆綁其上組成 ,錨鏈通過導(dǎo)纜孔安裝在接近主體吃水一半的高度。Cla ssic Sp a r 的減渦側(cè)板的 長度幾乎環(huán)繞整個主體 ; Tr u ss Sp a r 的減渦側(cè)板一般安裝在大直徑的硬艙外部 ; 而 Re d Haw k Cell Sp a r 除 了在組成主體的小直徑圓柱上部外 ,在小直徑圓柱的腿部也安裝有減渦側(cè)板?，F(xiàn)有的 Sp a r 平臺通常在主體外部周圍安裝有三組螺距為 5 (即每環(huán)繞主體外表面一周 ,在垂向上穿越 5倍直徑的距離) 的螺旋式減渦側(cè)板 ,側(cè)板高度一般為主體直徑的 10 %1

42、4 % 6 。也有人研究過四組的螺旋 側(cè)板。很多模型試驗已經(jīng)證明 ,一個表面較光滑 (無附著物) 且安裝有理想減渦側(cè)板的 Sp a r 平臺 ,可在較強 來流的作用下僅產(chǎn)生很小的渦激運動響應(yīng) 。但是在工程實際中很難達到這種理想的狀況 。首先 ,螺旋減渦側(cè)板的效率可能受到其設(shè)計細節(jié)如平臺主體外表面附屬物、側(cè)板中斷情況 、側(cè)板開孔情況等影響而降低 。其次 ,減渦側(cè)板幾何形式的變化也將導(dǎo)致減渦效率的變化。第三 ,在很多現(xiàn)有的 Sp a r 平臺中 ,出于建造和運 輸方面的考慮 ,有些平臺在建造時側(cè)板不能在主體全部范圍內(nèi)安裝 ,而是在一個側(cè)面安裝截斷的或者高度 減小的側(cè)板 ,這樣才能在建造 、運輸或下

43、水過程中 ,主體盡量接近地面或駁船。對于 Cla ssic Sp a r 來說 ,可以 等到運輸至作業(yè)地點安裝時進行翻轉(zhuǎn)并補裝缺少的那部分側(cè)板。而 Tr u ss Sp a r 由于不能滾動 ,因此缺少的 那部分側(cè)板無法安裝 。這樣必將降低側(cè)板的效率 ,缺少側(cè)板的一側(cè)在來流時將產(chǎn)生較大的運動 6 。也正因 如此 ,減渦側(cè)板的作用很可能并不是在全方向上等同的 ,在某些來流方向下會發(fā)生明顯的響應(yīng)“熱點”( ho t spo t s) 16 。因此 ,減渦側(cè)板的數(shù)量、形式等參數(shù)還需要以不同的 Sp a r 平臺形式為基礎(chǔ)進行深入研究 ,以期達 到最好的減渦效果?？傊?,側(cè)板設(shè)計應(yīng)該使響應(yīng)最差的角度

44、(由側(cè)板情況和錨泊系統(tǒng)特性決定) 位于環(huán)流速度最小或出現(xiàn)幾 率最低的方向 ,從而最大限度地降低渦激運動響應(yīng)。對于確定的流速分布和錨泊系統(tǒng)特征 ,可以通過兩種 方式達到這個目標 :第一 ,改變側(cè)板形式 ,直到較低流速方向與側(cè)板覆蓋情況較差的方向相對應(yīng) ;第二 ,改變錨泊系統(tǒng)參數(shù) ,使決定臨界折合速度的固有周期減少或完全避免 。因此在設(shè)計過程中 ,為了保證最佳側(cè)板形式的選擇 ,需要考慮來流方向、錨泊系統(tǒng)布置及特征參數(shù)、某·8 ·中 國 海 洋 平 臺第 23 卷 第 3 期些洋流的發(fā)生概率 ,以及其他一些設(shè)計安裝因素 。在確定側(cè)板形式后 ,建議進行模型試驗 ,以視需要進行平臺及

45、側(cè)板布置的調(diào)整 ,減小方向性的渦激運動響應(yīng) 7 。4 渦激運動研究及預(yù)報方法4 . 1 模型試驗Sp a r 平臺設(shè)計過程中預(yù)估渦激運動的傳統(tǒng)方法是水池模型試驗。Sp a r 平臺渦激運動模型試驗可通過3 種方式來完成 :第一 ,在拖曳水池的靜水中拖曳模型 ;第二 ,在循環(huán)水槽中進行 ;第三 ,在海洋工程水池中造 流進行試驗。這 3 種方法各有其優(yōu)點和不足 :靜水拖曳可達到相對較高的流速 ,可以采取較大的縮尺比 ,但 由于拖曳水池長度所限 ,采樣時間有所限制 ; 在循環(huán)水槽中進行試驗 ,可得到很長的記錄采樣時間 ,以保證有充足的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來描述響應(yīng)特征 ,但相對于水池而言 ,循環(huán)水槽一般尺度較小

46、 ,對模型尺度有所限制 ,并 且存在池壁效應(yīng)及湍流度影響的問題。在海洋工程水池中進行試驗 ,也允許較長的持續(xù)時間 ,但海洋工程 水池造流的速度相對較小 ,對于有些情況可能達不到流速及雷諾數(shù)方面的要求。到目前為止 ,采用最多的方法是通過在靜水中拖曳模型來完成。有關(guān)渦激振動的試驗研究 , 絕大部分是在 R e 數(shù)亞臨界區(qū)域進行的。一方面是由于試驗條件的限 制 來流速度或拖曳速度由試驗器材所限存在上限 ,同時模型尺寸不能過大。另一方面 ,此區(qū)域的流動 穩(wěn)定 ,流場信息與試驗結(jié)果易于捕捉整理。為了避免臨界區(qū)附近較大的拖曳力系數(shù)的變化 ,并減小尺度效 應(yīng) ,可以在硬艙表面采用一定的主體粗糙度 4 。在模

47、型試驗中盡可能真實模擬主體和側(cè)板外部的細節(jié)特征是很重要的。目前對于錨泊系統(tǒng) ,一般每根 錨鏈采用一根或多根線性彈簧模擬 ,水平剛度與實尺度相似 ,并且保持橫蕩周期隨縱蕩位移的變化情況與 實尺度相似。模型試驗為了準確模擬渦激運動的在固有周期范圍內(nèi)的共振現(xiàn)象 ,需要模擬原型系統(tǒng)的由主體、桁架 、錨鏈、立管等拖曳阻尼 ,以及其他阻尼 (如浮力罐及其導(dǎo)向架之間的庫侖摩擦阻尼) 。目前 ,在實尺度及模型 尺度量化這些阻尼 ,以及在模型試驗中控制這些阻尼的技術(shù)還沒有很好地建立 。另外一個重要的問題是如何考慮流速剖面的剪切效應(yīng) ,以及立管及錨泊系統(tǒng)非線性、非對稱阻尼的影響 。由于 R e 數(shù)尺度效應(yīng)方面的困

48、難 、運動模態(tài)模擬的限制、阻尼模擬 、剪切流速剖面以及其他三維流場效 應(yīng) ,需要了解這些問題影響渦激運動的方式和程度 ,建立模型試驗的基準 ,保證模型試驗測量數(shù)據(jù)的有效性和合理性 23 。4 . 2 CFD 模擬隨著計算能力的不斷提高 ,計算流體力學(xué)理論的不斷發(fā)展 ,用理論計算的手段來解決實際問題 ,已具備 了相當?shù)臈l件?，F(xiàn)在 ,C FD 已經(jīng)發(fā)展成為可用于研究渦激運動物理現(xiàn)象的另外一個重要工具 。與模型試驗 相比 ,C FD 作為預(yù)報 Sp a r 平臺渦激運動性能及促進平臺減渦設(shè)計的一種工具 ,有著節(jié)省時間和費用 、易于實施等優(yōu)點 ,采用 C FD 工具在前期設(shè)計階段進行參數(shù)敏感度研究是相

49、當實用的。例如 , C FD 可用于研究不同側(cè)板高度和螺距的相對影響 ,以及主體表面附屬物的影響 ,等等 。當然 ,現(xiàn)在的 C FD 還不能取代模型試驗 獲得最終設(shè)計數(shù)據(jù) ,但是完全可以應(yīng)用在進行大量的模型試驗程序之前 ,以研究流場特征、流動形式 ,以及進行減渦裝置的輔助設(shè)計等方面 。Sp a r 平臺的尺度和幾何形狀是影響 C FD 模擬的重要因素 。Sp a r 平臺的主體并不是光滑圓柱體 ,外部 通常安裝有減渦側(cè)板 、外部管線、錨泊線及其他影響平臺周圍流場的附屬物。流的分離特征、較高的 R e 數(shù) 以及復(fù)雜的幾何形狀決定 C FD 模擬的復(fù)雜性 ,因此需要從計算機資源、計算時間及網(wǎng)格優(yōu)化

50、等實際角度去 研究模擬的問題。由于 Sp a r 平臺渦激運動問題的復(fù)雜性和特殊性 ,C FD 模擬渦激運動問題必須考慮很多問題 ,如網(wǎng)格敏 感度、邊界層模擬、壁面影響、表面粗糙度、湍流模型等 。其中很多問題都是目前 C FD 領(lǐng)域面臨的最復(fù)雜的 問題 13 。因此 C FD 的應(yīng)用需要專業(yè)人員的參與以及非常嚴格的實施 ,才能采用最佳的方案解決問題 ,并且 C FD 技術(shù)在渦激運動中的應(yīng)用還需要進一步深入研究 ,不斷完善和發(fā)展。第 3 期王 穎等 Sp ar 平臺渦激運動關(guān)鍵特性研究進展·9 ·4 . 3實地監(jiān)測C FD 模擬同模型試驗一樣 ,都需要對實尺度 fiel d

51、和模型尺度數(shù)據(jù)進行校準。Sp a r 平臺渦激運動的實 型數(shù)據(jù)很少 ,同時又有多種流和不同的平臺主體設(shè)計 ,目前可以用來驗證模型試驗結(jié)果的實型數(shù)據(jù)十分有限。因此 ,渦激運動研究的發(fā)展迫切需要高質(zhì)量的實地監(jiān)測數(shù)據(jù) ,包括對洋流情況和 Sp a r 響應(yīng)的同時測量(運動 ,錨鏈力 ,立管 st ro ke 等) ,這些數(shù)據(jù)需要用來 :(1) 驗證現(xiàn)有的模型試驗 ,量化尺度效應(yīng) ,建立縮尺比模型試驗換算至實型平臺數(shù)據(jù)的方法和標準 ; (2) 為發(fā)展更新更多的試驗裝置 ,進行更精確的模型試驗作為支持 ;(3) 驗證并引導(dǎo)用于模擬墨西哥灣流和 Sp a r 平臺渦激運動的 C FD 模型的不斷發(fā)展。由于

52、大多數(shù)運營于墨西哥灣的 Sp a r 平臺都安裝有海洋環(huán)境及結(jié)構(gòu)運動監(jiān)測系統(tǒng) ,得到更多的實地測量 數(shù)據(jù) ,用于 Sp a r 設(shè)計過程 (包括在 Sp a r 設(shè)計模型試驗和數(shù)值分析工具發(fā)展中需要的數(shù)據(jù)) ,是完全可能的 ?？偨Y(jié)與展望到目前為止 ,設(shè)計和研究人員在 Sp a r 平臺渦激運動的預(yù)報和抑制方面一直在進行不懈的努力 ,也取得 了相當豐富的研究成果和結(jié)論 ,理論與試驗并重的研究體系逐漸形成。但渦激運動復(fù)雜性決定了仍然是 Sp a r 平臺作業(yè)過程中的一個重要問題 ,還有很多方面需要繼續(xù)深入研究和解決。首先 ,實際海洋環(huán)境條件 的復(fù)雜多變需要在模型試驗及 C FD 模擬中考慮更多的因

53、素 ,如波浪在渦激運動中的作用和模擬方法 ,波流 聯(lián)合作用下的渦激運動研究 ,非均勻流及剪切流的模擬等 ; 其次 ,模型試驗方面 ,需要進一步考慮單自由度 與 6 自由度模型試驗 ,高 R e 數(shù)模型試驗與低 R e 數(shù)模型試驗之間的關(guān)系及比較 , R e 數(shù)尺度效應(yīng) ,實尺度阻尼 在縮尺比模型中的模擬 ,模型試驗 A / D 結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法等 25 ; C FD 模擬方面 ,也需要進一步研究具體 的流場特征 ,如尾流區(qū)結(jié)構(gòu) 、分離點位置、渦脫落模式 ,桁架的模擬方法、阻尼系數(shù)的確定、平臺局部受力特 征等 ,同時需要進一步改進計算方法 ,選擇更精確的離散模式和湍流模型。另外 ,國際上需要建

54、立一個合理的公認的渦激運動條件下立管及錨泊系統(tǒng)設(shè)計及校驗標準 。目前很多 學(xué)者認為 A P I 的相關(guān)建議和強度及安全核準數(shù)據(jù)對于渦激運動預(yù)報來說已經(jīng)不夠安全 ,因此也應(yīng)考慮進行進一步的驗證和修改 。這需要對強度及疲勞安全系數(shù)、高應(yīng)力/ 低周破壞引起的錨鏈疲勞加劇及磨損等進 行重新評估 ,并進行相應(yīng)的主體、立管及錨泊系統(tǒng)校核 。5參考文獻 1 Oakley J r . Owen H . , Nava r ro Cla udia , Co nsta ntinide s Yia nni s , Hol me s Samuel . Mo deli ng vo rtex induced mo tio

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