新型多立柱式Spar平台涡激运动特性研究_苏云龙_杨建民_吕海宁_彭涛

1 新型多立柱式 Spar 平台模型及环境条件
1． 1 平台模型 新型多立柱式 Spar 平台的试验模型如图 1 所示，缩尺比 λ 为 1∶ 60，据此确定模型的尺寸，保证与实体
的几何相似。模型包括硬舱、桁架及软舱，由于上层建筑对平台所受水动力不会产生影响，试验中将其简化 为等效质量。平台涡激运动的抑制装置由一组减涡侧板组成，侧板沿纵向螺旋布置，每根圆柱上布置四块减 涡侧板，相互间隔 90°，侧板高为 5% d（ d 为圆柱直径） ，螺距比为 5。减涡侧板被设计为可拆卸形式，以校验 其对涡激运动的抑制效果。另外，试验中运动与动力相似采取的是 Froude 相似和 Strouhal 相似准则，在有减 涡侧板存在时，流动分离多发生在侧板边缘处，粘性的影响不再占主导。
文中新型多立柱式 Spar 平台与常规的单立柱式 Spar 平台在结构形式上有着很大的不同，为了便于施工 建造，平台硬舱采用四根圆柱方形阵列布置的形式，另外采用方形中心井对立管起到保护和约束的作用，如 图 1 所示。目前还没有针对四圆柱与单方柱组合的涡激运动特性方面的研究，各柱体间复杂的相互干扰和 结构自身关于不同来流角的非对称特性，使得其绕流特性极为复杂，各柱的流动分离和涡结构将与单圆柱、 单方柱或四圆柱存在很大的不同。因此针对这种特殊形式结构物的涡激运动特性开展模型试验研究具有重 要的意义。
针对单方柱绕流和多柱绕流目前也已开展了大量的研究。Dutta 等［9］通过流场可视化技术，研究了方柱 在 0°、22． 5°、30°和 45°来流角下的阻力系数、斯特哈尔数及流场结构等。Sumner 等［10］通过流体染色与 PIV 结合的方法对两个圆柱不同间距比、不同来流角下的流场进行了分类识别。徐有恒等［11］通过风洞试验研究 了正品字和倒品字排列三圆柱脉动压力幅值的大小及 ＲMS 值之间的定量关系。Lam 等［12］通过风洞试验研 究了不同间距下四圆柱方形阵列布置在 0°、15°、30°和 45°来流角下各柱的受力系数、斯特哈尔数等。吴七 二等［13］通过 CFD 方法对串列两方柱绕流进行了研究，得到了不同间距比下柱体的受力情况。
第 33 卷第 1 期 2015 年 1 月
海洋工程 THE OCEAN ENGINEEＲING
文章编号： 1005-9865（ 2015） 01-0014-10
Vol． 33 No． 1 Jan． 2015
新型多立柱式 Spar 平台涡激运动特性研究
苏云龙，杨建民，吕海宁，彭 涛
（ 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240）
目前，针对常规的单立柱式 Spar 平台涡激运动的研究主要以试验研究为主，Ｒoddier 等［1］针对 Truss Spar 平台的硬舱分别采用三种缩尺比模型进行试验，研究发现： 对于模型有侧板的情况，雷诺数范围处于亚 临界区或是超临界区对试验结果影响不大。Finnigan 等［2］研究发现： 剪切流和均匀流中的平台的涡激运动 特性没有显著区别； 波与流同向时，平台的涡激运动会被抑制； 而波与流垂直或有一定夹角时，平台涡激运动 响应幅值小于平台在单独流与单独波作用下的响应幅值之和，但某些情况会大于单独流作用时的响应幅值。
第1 期
苏云龙，等： 新型多立柱式 Spar 平台涡激运动特性研究
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然而伴随着 Spar 平台的发展，涡激运动（ VIM） 问题长期困扰着工程界。当平台主体遭遇一定流速的海流作 用时，由于粘性和逆压作用，将在平台附近产生流动分离，并在平台后方形成周期性的旋涡脱落，当旋涡脱落 频率与平台的固有频率接近时将产生较大幅度的涡激运动。涡激运动会导致系泊系统及立管系统所受张力 增加，使得系泊系统和立管系统疲劳寿命降低。
摘 要： 通过数值模拟和模型试验方法对一新型的 Spar 平台———多立柱式 Spar 平台的涡激运动特性进行研究。平台硬舱为
四根圆柱方形阵列布置加方形中心井的形式，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涡激运动研究具有重要意义。研究主要关注的是不同来流角、不同流速下平台的涡激运动特性。通过
Abstract： A numerical and experimental study on the vortex-induced motions，VIM，of a new type multi-column Spar platform is presented． The hard tank of this platform consists of four circular columns arranged in a square shape surrounding the center well． Complex flow interference can happen near the columns． This special configuration is different from any kind of the existing single-column Spar platforms or Semi-submersible platforms，which indicates that it is very important and meaningful to carry out the related study on the VIM of it． The influences of different headings，velocities and the efficiency of the helical strakes have been analyzed． The main results show that the lock-in phenomenon is observed with reduced velocity between 6 up to 8 （ for 0° incidence without helical strakes，the lock-in range is Ur = 7 ～ 11） ． The helical strakes do suppress the vortex-induced motions，and have the highest efficiency for 0° incidence in a relatively high range of current velocity． The trajectories of VIM motions in the XY plane occur primarily along the cross-section diagonals （ except in the 0° incidence） ，which is quite different from the existing single-column Spar platforms． Ｒelatively large yaw motion is also observed in the model test． The flow structures of vortex of the multi-columns interact strongly with each other，but the general flow pattern of the platform joints together behind it，which is similar to the single column’s pattern． Keywords： multi-column Spar platform； VIM； model test； CFD
立柱 Spar 平台。此外，试验中还观察到较明显的首摇运动。涡激运动时各柱间绕流存在复杂的相互干扰，而在柱后形成共同
的涡结构。
关键词： 多立柱式 Spar 平台； 涡激运动； 模型试验； 数值计算
中图分类号： P751
文献标志码： A
DOI： 10． 16483 / j． issn． 1005-9865． 2015． 01． 002
除了模型试验外，近年来也有不少学者采用计算流体动力学（ CFD） 的方法对单立柱式 Spar 平台的涡激 运动进行研究。Thiagarajan 等［3］模拟了三维圆柱无侧板和有侧板情况下涡激运动响应的对比； Oakley 和 Constantinides［4］模拟了 Truss Spar 硬舱部分仅有侧板和有侧板及锚链、管系等附属物的情况下涡激运动响应 的对比，并与相应的模型试验结果进行了比较； WANG 等［5］对一 Cell-Truss Spar 平台进行了数值模拟，并与 相应的试验结果进行了对比。此外，高云等［6］通过数值求解平台和尾流阵子之间的耦合方程对无侧板常规 单立柱 Spar 的涡激运动响应进行了研究。
下标 m 及 s 分别表示模型和实体。
关于试验平台模型主要尺度，如表 1 所示。
图 1 多立柱式 Spar 平台模型及设计图 Fig． 1 Test model and design drawing of the multi-column spar platform
项目 总高度（ 底部到上甲板）
具体相似准则形式：
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海洋工程
第 33 卷
几何相似：
Ls Lm
=
λ，
As Am
=
λ2 ，
!s = λ3 !m
（ 1）
运动与动力相似：
Um = Us
（ Froude 相似）
（ 2）
槡gLm 槡gLs
UmTm = UsTs
Lm
Ls
Hale Waihona Puke （ Strouhal 相似）（ 3）
式中： L，A，，U，T 分别为特征线尺度、特征面积、特征体积、特征速度和时间； λ 为缩尺比； g 为重力加速度；
自 20 世纪 90 年代以来，Spar 平台凭借其优良的运动性能和稳性在深水油气开采中得到了广泛的应用。
收稿日期： 2013-11-06 基金项目： 工业和信息化部高技术船舶科研项目资助； 国家自然科学基金重点项目资助（ 51239007） 作者简介： 苏云龙（ 1988-） ，男，硕士生，主要从事船舶与海洋工程水动力学研究。 通讯作者： 吕海宁。E-mail： haining@ sjtu． edu． cn