Spar平台涡激运动关键特性研究

Spar平台的柱形主体在强海流作用下会引起漩涡脱落，从而产生大幅的水平运动，增加立管及锚泊系统的载荷，这种Spar平台所特有的运动响称为涡激运动，是海洋工程领域中的一个新的研究课题。Spar平台涡激运动的特性研究对Spar平台的设计和研究有着重要意义，不但可以改进Spar平台的性能，增强结构强度，提高疲劳寿命，还可以为研究减小涡激运动的方法和设施提供支持。本课题以Spar平台为研究对象，对涡激运动的发生机理和过程进行理论研究和探索，并结合计算流体力学软件，对Spar平台的涡激运动进行数值模拟和预报。同时研究涡激运动的试验测试技术，通过具有创新性的试验方法，进行模型试验研究。并结合数值模拟和模型试验，对 Spar平台进行涡激运动预报及抑制研究，掌握涡激运动关键特征、环境条件、影响因素、决定性参数及抑制方法。以期望能够得到有突破性的，对实际有指导意义的结果。

深吃水立柱式平台（Spar平台）作为一种新型浮式海洋油气生产平台，特别适宜于深海作业，具有运动稳定、安全性好、经济灵活等优点，在深海资源开发中正得到越来越广泛的应用。与其它形式的浮式生产平台相比，涡激运动是Spar平台所面临的一个突出问题，这是由其特有的深吃水柱状主体结构所决定。在深海海流的作用下，Spar平台的深吃水圆柱形主体后方会发生边界层分离并导致旋涡周期性脱落，使平台主体产生周期性的大幅水平运动，从而增加立管和锚泊系统的系泊载荷，并对其疲劳寿命和强度带来不利影响。.项目以Spar平台涡激运动的关键特性为主要研究内容，通过理论分析、数值计算和模型试验相结合的方法，从涡激运动发生机理、关键特性、抑制方法等多方面，探索适用于Spar平台涡激运动预报和抑制的数值和试验方法，对Spar平台涡激运动现象进行深入的系统性研究，具有开创性意义和良好应用前景。.以项目组所在的海洋工程国家重点实验室所提出的新概念多柱桁架式Spar平台（Cell-Truss Spar）为研究对象，首先截取Spar平台硬舱部分的截面，建立了Cell-Truss Spar的二维数值模型，研究平台附近流场的特征、涡脱落模式及相关流体动力参数，从机理方面对涡激运动的激励、绕流流场、响应特征等开展了深入的探索。在此基础上，进一步建立Cell-Truss Spar的三维硬舱模型及附近流场，模拟Spar平台的半张紧式系泊系统的非线性刚度，建立Spar平台涡激运动流固耦合方程，并编写其求解程序，对Spar平台涡激运动特征开展数值模拟。.在数值模拟的基础上，针对Spar平台深水系泊系统模拟，深海复杂海流的水池模拟，平台涡激运动的试验测试等关键试验技术开展研究，在海洋工程水池完成了Cell-Truss Spar的涡激运动模型试验。对不同流速条件下，Spar平台涡激运动的幅值和周期等特征参数进行预报，得到平台在不同折合速度下的涡激运动响应特征，并进一步探索其他相关参数，如垂向流速剖面等对Spar平台涡激运动的影响。.还进一步研究探讨了Spar平台涡激运动的抑制方法，对Cell-Truss Spar的复杂多柱式主体，提出适当的减涡装置设计方案，分别通过数值模拟和模型试验相结合，对减涡侧板的作用机理，减涡效率，以及安装侧板后平台的涡激运动性能进行了分析和预报。