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CHI NA O FFSH OR E PL AT FO RM V ol.23N o.3Jun.,2008收稿日期:2007-12-29

基金项目:国家863重大项目课题(2006AA09A107)作者简介:王 颖(1982 ),女,博士生,从事船舶与海洋工程方面的研究。文章编号:1001 4500(2008)03 001 10

Spar 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:Spa r 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:A

REVIEW ON THE STUDY OF SPAR VORTEX INDUCED

MO TIONS KEY CHARACTERIS TIC

WANG Ying , YANG Jian min, YANG Chen jun

(Shanghai Jiao T ong University,Shanghai 200030,China)

Abstract:T his paper r eview s the recent studies related to spar vo rtex induced m otio n

phenomeno n,and presents some key points on the v ortex shedding m echanism,the r esponse

characteristics,the suppression method,the model test and CFD simulatio n in detail.And

so me sug gestions fo r fur ther studies in this field are pro posed.

Key words:spar platfo rm;vortex induced motions;helical strake;CFD;model test

0 引 言

在工程各界,对物体在空气、水等流体介质中涡激振动(Vor tex Induced Vibrations,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(V ortex Induced Mo tions,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

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 (Classic Spar)概念进化产生 桁架式 (T russ Spar )和 多柱式 (Cell Spar)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[1]

。例如,2001年4月发生在墨西哥湾的M illennium 涡流作用下,安装在墨西哥湾Green Canyon Blo ck 205的ChevronTex aco Gene sis Spar 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Mag ee 等(2003)、H uang 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[3]。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,Tr uss Spar 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 boud van Dijk 等[4]

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。

Van Dijk Radboud R.T.等[5]于2003年进行了模型试验,对一座T russ Spar ,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 [6]2003年对一座Cell Spar 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。

Allan Magee 等[7]2003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。

Ir ani 和Finn [8]2004年对Spar 涡激运动进行了低Re 数6自由度的模型试验,Yung 等[9]2004年进行了较高R e 数模型试验方法的研究。

Sm ith David W.等[2]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 2 中国海洋平台 第23卷 第3期