Spar平台涡激运动关键特性研究进展

第２３卷第３期２００８年６月中国海洋平台ＣＨＩＮＡ０ＦＦＳＨ（）ＲＥＰＬＡＴＦＯＲＭＶ０１．２３Ｎｏ．３Ｊｕｎ．。

２００８文章编号：１００１－４５００（２００８）０３—００１—１０Ｓｐａｒ平台涡激运动关键特性研究进展王颖，杨建民，杨晨俊（上海交通大学，上海２０００３０）摘要：介绍了目前国际上Ｓｐａｒ平台涡激运动研究的概况，并从涡激运动的形成机理、涡激运动响应特征、涡激运动抑制方法、涡激运动研究及预报方法等几个方面对其关键特性进行了详细阐述，提出了这一课题未来研究方向的有关建议。

关键词：Ｓｐａｒ平台｝涡激运动；减涡侧板；ＣＦＤ；模型试验中图分类号：Ｐ７５文献标识码：ＡＲＥＶＩＥＷｏＮＴＨＥＳＴＵＤＹｏＦＳＰＡＲＶＯＲＴＥＸ—ＩＮＤＵＣＥＤＭＯＴＩＯＮＳＫＥＹＣＨＡＲＡＣＴＥＲｌＳＴＩＣＷＡＮＧＹｉｎｇ，ＹＡＮＧＪｉａｎ—ｍｉｎ，ＹＡＮＧＣｈｅｎ－ｊｕｎ（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｒｅｃｅｎｔｓｔｕｄｉｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｐａｒｖｏｒｔｅｘｉｎｄｕｃｅｄｍｏｔｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，ａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｓｏｍｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓｏｎｔｈｅｖｏｒｔｅｘｓｈｅｄｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ。

ｔｈｅｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔａｎｄＣＦＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｎｄｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｓｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｒｐｌａｔｆｏｒｍ；ｖｏｒｔｅｘｉｎｄｕｃｅｄｍｏｔｉｏｎｓ；ｈｅｌｉｃａｌｓｔｒａｋｅ；ＣＦＤ；ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ０引言在工程各界，对物体在空气、水等流体介质中涡激振动（Ｖｏｒｔｅｘ－ＩｎｄｕｃｅｄＶｉｂｒａｔｉｏｎｓ，ＶＩＶ）现象的研究由来已久。

涡激振动是在一定速度的来流中，由物体背后交替泻涡导致的脉动压力而引起的结构振动，可能发生在不同的结构上，如桥梁、电缆、工厂的烟囱、海洋管线等。

在海洋工程领域中，目前研究比较广泛、成果较多的是海洋平台立管及海底管线等大长细比柔性结构物的涡激振动。

而Ｓｐａｒ平台作为近十年间才问世并得到广泛应用的大尺度海洋平台，一方面，它的大吃水柱状主体结构决定了它在一定的流场条件下产生漩涡脱落，从而根据涡激振动原理，也将产生相应运动现象的特性；另一方面，它相对较小的纵横比、整个结构体的刚性特征，以及作为海洋平台特有的漂浮、锚泊和水动力性能，又使得它在漩涡脱落的作用下，显示出与海洋立管等细长体完全不同的运动特征。

Ｓｐａｒ平台的柱形主体在强流作用下引起漩涡脱落，从而产生大幅的水平运动，增加立管及锚泊系统的载荷［１］。

为了区别于一般的涡激振动，将Ｓｐａｒ平台这种独有的运动响应称为涡激运动（Ｖｏｒｔｅｘ－ＩｎｄｕｃｅｄＭｏｔｉｏｎｓ，ＶＩＭ）。

Ｓｐａｒ平台的涡激运动（ＶＩＭ）是涡激振动（ＶＩＶ）中的一个特例，它的响应幅值很大，周期较长。

自从这种特殊的运动响应在安装于墨西哥湾的Ｓｐａｒ平台上发生并引起重视，海洋工程领域便诞生了一收稿日期：２００７一１２—２９基金项目：国家８６３重大项目课题（２００６ＡＡ０９Ａ１０７）作者简介：王颖（１９８２一），女，博士生，从事船舶与海洋工程方面的研究。

中国海洋平台第２３卷第３期个新的研究课题。

目前，国际上的一些研究机构已相继开展关于Ｓｐａｒ平台涡激运动的研究。

相对于其排水量来说，Ｓｐａｒ平台水线面小，重心低，这使得Ｓｐａｒ平台拥有极好的稳性，并且对波浪激励具有较小的响应。

这些优良性能使得Ｓｐａｒ平台很快得到业界的认可并进入繁荣发展的时代。

但是与其他类型的海洋平台相比，Ｓｐａｒ平台在强流作用下容易发生涡激运动这一特性决定了在设计和研究过程中必须对相关方面进行更加严密的考虑。

自从第一座Ｓｐａｒ平台安装于墨西哥湾以来，Ｓｐａｒ平台主体的形状已从单独的“常规式”（ＣｌａｓｓｉｃＳｐａｒ）概念进化产生“桁架式”（ＴｒｕｓｓＳｐａｒ）和“多柱式”（ＣｅｌｌＳｐａｒ）等概念，所有这些不同形式的Ｓｐａｒ平台在一定的来流条件下都可能发生涡激运动。

观测数据表明，有些已安装并投入使用的Ｓｐａｒ平台在较高流速下已出现过涡激运动幅值高于设计期间预计值的情况‘¨。

例如，２００１年４月发生在墨西哥湾的Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ涡流作用下，安装在墨西哥湾ＧｒｅｅｎＣａｎｙｏｎＢｌｏｃｋ２０５的ＣｈｅｖｒｏｎＴｅｘａｃｏＧｅｎｅ－ｓｉｓＳｐａｒ平台，经历了比锚泊及立管系统初始设计预报值大得多的涡激运动——最大的响应幅值达到了主体直径的４０％，远远超过在百年一遇涡流中最大响应幅值１７％的设计预报值‘２｜。

对于海洋结构物来说，涡激运动会增加锚链和立管的疲劳破坏。

缩短总体疲劳寿命，增加结构物上的总阻尼。

对于锚泊系统和立管设计来讲，Ｓｐａｒ平台的涡激运动的估计非常重要，这是因为，通常的水动力性能研究中，只考虑一阶６自由度运动和二阶的纵荡、横荡、首摇３个平面运动。

如果涡激运动现象不予考虑的话，疲劳分析及锚链最大张力的结果都将偏小，导致过低估计锚链和立管的尺度参数。

相关的数据和研究方法在Ｍａｇｅｅ等（２００３）、Ｈｕａｎｇ等（２００３）关于锚链设计研究以及Ｂａｉ等（２００４）关于立管特性研究的文章中都有提及Ⅲ。

１国内外研究概况目前，国际上已有多家研究机构展开Ｓｐａｒ平台涡激运动方面的研究，而国内相关方面的研究才刚刚起步。

２００３年，ＴｒｕｓｓＳｐａｒ的概念提出不久，为了研究这种Ｓｐａｒ的涡激运动响应特征，优化侧板形式，Ｒａｄ—ｂｏｕｄｖａｎＤｉｊｋ等ｎ１在荷兰ＭＡＲＩＮ水池进行了模型试验。

改变来流方向角和流速，研究了可能的尺度效应以及主体表面粗糙度对模型试验结果的影响，并研究了涡激运动模型试验的可重复性以及表示实尺度情形的可靠性。

ＶａｎＤｉｊｋＲａｄｂｏｕｄＲ．Ｔ．等［５１于２００３年进行了模型试验，对一座ＴｒｕｓｓＳｐａｒ，分别模拟了一个完整的锚泊系统以及一个简化的水平锚泊系统，研究了锚泊系统对平台涡激运动的影响，并将模型试验结果与该平台在剪切流，如墨西哥湾飓风流作用下的运动响应进行了比较。

Ｌ．Ｄ．Ｆｉｎｎ［６３２００３年对一座ＣｅｌｌＳｐａｒ平台提出了几种可供参考的新的减涡侧板外形，并进行了一系列拖曳水池模型试验，测量涡激运动响应，并改变具体的平台参数，来研究Ｓｐａｒ主体及锚泊系统特征对其涡激运动响应的影响，得到侧板优化后的涡激运动响应结果。

ＡｌｌａｎＭａｇｅｅ等［７１２００３年研究了考虑涡激运动而进行的锚泊系统设计。

突出了环流海况的方向分布，以及考虑Ｓｐａｒ锚链方向影响和涡激运动之间关系的必要性。

例如，流速和不同来流方向下由锚泊系统布置的不对称性导致的不同横荡固有周期，会使折合速度发生变化。

另外，Ｓｐａｒ的涡激运动响应本身也由于不对称的侧板布置及其他不对称的主体外部附属物而呈现方向性。

由涡激运动引起的方向刚度和拖曳力增加也可能影响最大位移和锚链力。

采用两种分析方法来得到涡激运动引起的锚链载荷。

第一种，ＤＲＩＶＥＳＩＭ，强迫Ｓｐａｒ主体以给定振幅做“８”字型运动。

锚链力与拖曳力一致，由主体拖曳力系数得出；第二种，ＦＯＲＣＥ－ＩＴ，对主体施加一个力，使其达到需要的涡激运动振幅，从而使锚泊系统的非线性特征满足动平衡。

Ｉｒａｎｉ和Ｆｉｎｎ［８］２００４年对Ｓｐａｒ涡激运动进行了低ＲＰ数６自由度的模型试验，Ｙｕｎｇ等凹］２００４年进行了较高Ｒｅ数模型试验方法的研究。

ＳｍｉｔｈＤａｖｉｄＷ．等瞳］２００４年采取后报的方式，在过去发生的涡激运动事件中估计系统的疲劳及损毁程度，从而致力于研究在未来可能发生的大规模涡激运动中保证平台结构完整及安全性的永久性解决方法。

他们进行的工作有：分析锚链拉力的实测数据；估计导缆孔处锚链线的应力集中情况；大幅／低周条件下疲第３期王颖等Ｓｐａｒ平台涡激运动关键特性研究进展劳破坏估计；累积损耗情况估计；根据针对ＧｅｎｅｓｉｓＳｐａｒ疲劳分析的结果，提出了改进方案：为保证足够的疲劳强度，降低在未来可能发生的涡激运动下产生结构破坏的风险，建议替换１４根锚链当中４根的导缆孔处链条部分。

Ｂｙｂｅｅ和Ｋａｒｅｎ［１０３在２００５年通过理论分析、模型试验及实地测量等各种方法，对ＣｌａｓｓｉｃＳｐａｒ涡激运动进行预报，同时关注锚链和立管在涡激运动下的疲劳。

ＯａｋｌｅｙＪｒ．ＯｗｅｎＨ等［ｊＪ２００５年研究了ＣｌａｓｓｉｃＳｐａｒ平台分别在均匀流和剪切流中的涡激运动。

研究了对飓风流或环流引起的分层流的模拟方法，提出了模型试验和数值模拟的相关建议，讨论了来流温度和盐度变化引起的浮力变化的潜在影响。

比较了小缩尺比下模型试验和数值模拟结果，并用ＣＦＤ方法，采用分离涡模拟（ＤＥＳ）湍流模型预测了实型的涡激运动情况。

Ｉｒａｎｉ等人Ｊ妇在２００５年进行了一系列模型试验。

以研究ＴｒｕｓｓＳｐａｒ的螺旋式减涡侧板的有效性，试验模拟了包括平台主体及桁架几何形状、质量和锚泊系统特性等重要参数，测试了不同的侧板形式，考虑了涡激运动中Ｓｐａｒ平台螺旋式侧板强度和疲劳并提出有效的改进方案；ＴｈｉａｇａｒａｊａｎＫ．Ｐ．等［１２］２００５年用ＣＦＤ工具，对光滑圆柱和安装侧板的圆柱在均匀流中的涡激运动特征进行了比较，所用的圆柱与Ｉｒａｎｉ等２００５年模型试验中的ＴｒｕｓｓＳｐａｒ模型的硬舱部分相同。

ＨａｌｋｙａｒｄＪｏｈｎ等［１３］２００５年利用模型试验对一座ＴｒｕｓｓＳｐａｒ平台的ＣＦＤ模拟结果进行验证，并进行了ＣＦＤ基准研究。

模型试验在拖曳水池中进行。

着重研究来流方向、折合速度和侧板螺距对涡激运动响应的影响。

所有的计算和试验都针对ｌ：４０的模型进行。

进行了拖曳试验后，也用同一模型在海洋工程水池中造流进行了试验。

模型自由漂浮，通过代表锚链刚度的４个线性弹簧连接在拖车上。

试验Ｒｅ数范围为４００００１５００００，折合速度为３～儿。

ＫａｌｌｉｎｄｅｒｉｓＹａｎｎｉｓ等＝ｌ４］２００５年通过一个流固强耦合求解的数值方法研究了涡激运动中数值求解过程的稳定性和计算量、流固耦合求解器限制的时间步长、３Ｄ计算的额外计算网格数、高Ｒｅ数下湍流模型的精度和计算量等问题。

采用了介于ＲＡＮＳ方程Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｌｌｍａｒａｓ模型之间的湍流模型，使得求解器可以采用更大的时间步长而不降低精度和高Ｒｅ数下的计算稳定性。

巴西的ＣｕｅｖａＭａｒｃｏｓ等＿一于２００６年采用模型试验方法对一个增强型自安装单柱浮式平台（ＥｎｈａｎｃｅｄＳｅｌｆＩｎｓｔａｌｌｅｄＳｉｎｇｌｅＣｏｌｕｍｎＦｌｏａｔｅｒ，ＥＳＩＳＣＦ）的概念进行了模型试验研究，这是一个几何形状和Ｓｐａｒ平台相似的概念，但是吃水较浅，并且外部安装有圆环。