浮式圆柱型结构物涡激运动特性研究

2020年，十九届五中全会提出“发展海洋经济，建设海洋强国”。我国海域面积约300万平方公里，拥有广泛的海洋资源。随着国家的快速发展和能源需求的不断增加，加速开发海洋资源已经成为未来能源战略的重中之重。在海洋资源开发中，特别是油气和风能资源开发领域，圆柱型结构被大量应用。如半潜式海洋平台、张力腿海洋平台的桩腿结构为圆柱型结构，而Spar海洋平台、Spar型浮式风机、Monocolumn海洋平台的主体自身就是一个漂浮的圆柱型结构。

流体在经过圆柱等钝体结构时，会在其下游产生交替泄放的旋涡，形成激振力。如果结构为弹性支撑，在此激励作用下，会发生周期性振动，称为涡激振动（Vortex Induced Vibrations，VIV）。2020年虎门大桥异常抖动事件、1940年美国塔科马大桥风毁事件，皆是由于风致涡激振动。在海洋工程中，涡激振动的研究主要集中在细、长、柔性结构，如立管、海底管线等。随着近十年来立柱型海洋浮式结构物的广泛应用，人们发现其在海流作用下，下游同样会生成一定频率的旋涡泄放并引发独特的运动现象。此外，其较低的长径比、较高的阻尼比、整个结构的刚性特征以及漂浮于水面的水动力性能，使得相对于立管、海底管线等大长径比柔性结构的涡激振动具有更大的运动周期与幅值。为了加以区别，将此特有的运动现象称为涡激运动（Vortex Induced Motions，VIM）。

自20世纪90年代第一座Spar海洋平台投产使用以来，已多次出现涡激运动现象。2001年，Genesis Spar在其作业海域多次发生大幅度的涡激运动响应，极大地超出了设计预报值。针对我国南海油田特点提出的新概念深水钻采储运平台（Spar Drilling Production Storage Offloading，SDPSO），采用深吃水立柱结构，同样存在着涡激运动幅值偏大的问题，对系泊系统和立管系统的疲劳寿命带来不利影响。半潜平台、张力腿平台等多圆柱型浮式结构物亦会发生涡激运动问题。如果忽略涡激运动，仅考虑一阶六自由度运动和二阶水平运动，那么疲劳分析及锚链张力数据均偏小。

本书基于作者前期的研究成果，对浮式结构的涡激运动问题进行详细讨论：首先介绍了海洋资源种类，重点介绍了油气资源和风能资源开发中应用的浮式海洋结构物；其次，从涡激运动问题的提出切入，阐述了相关基础理论，对比圆柱绕流、强迫运动、涡激运动的异同点；再次，采用数值模拟和模型实验相结合的方法，针对浮式单圆柱、多圆柱海洋结构物，从涡激受力、运动幅值、运动频率、运动轨迹、涡泄模式等多个方面研究涡激运动特征；最后，提出考虑尾流影响的张力腿平台涡激力计算模型，并对涡激运动的抑制方法进行了总结。

本书在写作过程中，得到了许多老师、领导、同学、同事、朋友、学生的大力帮助和支持，在此表示由衷的感谢！

由于时间仓促和作者水平有限，书中难免有错误和不当之处，敬请读者批评指正。

作 者

2021年12月

前言
第1章 海洋资源开发现状 1
1.1 海洋资源种类 1
1.1.1 生物资源 1
1.1.2 矿物资源 2
1.1.3 海洋能资源 2
1.1.4 化学资源 3
1.2 海洋油气资源 3
1.2.1 海洋油气资源开发的现状 3
1.2.2 海洋油气资源分布特征 4
1.2.3 世界海洋重点盆地勘探与开发现状 5
1.2.4 海洋油气资源勘探技术特征及常见问题 5
1.2.5 海洋油气资源开发技术 7
1.2.6 海洋油气资源开发对环境的影响 8
1.2.7 海洋油气资源未来发展方向 9
1.3 海洋能资源 10
1.3.1 海洋能 10
1.3.2 海洋能的应用 10
1.3.3 海洋能的应用原理 11
1.3.4 海洋能开发利用对环境的影响 13
1.3.5 海洋能对环境影响的对策 13
1.3.6 海洋能发展趋势展望 14
1.4 本章小结 15
参考文献 15
第2章 浮式海洋油气装备 17
2.1 概述 17
2.1.1 固定式平台 17
2.1.2 移动式平台 19
2.2 半潜式平台 24
2.2.1 发展历程 24
2.2.2 总体结构特点 26
2.2.3 半潜式平台的水动力性能 27
2.3 张力腿平台 27
2.3.1 发展历程 27
2.3.2 总体结构特点 28
2.3.3 张力腿平台的水动力性能 29
2.4 Spar平台 29
2.4.1 发展历程 29
2.4.2 总体结构特点 31
2.4.3 Spar平台的水动力性能 33
2.5 新型单圆柱型海洋平台 33
2.5.1 国外新型单圆柱型海洋平台 33
2.5.2 国内新型单圆柱型海洋平台 34
2.6 本章小结 35
参考文献 35
第3章 浮式海洋风电装备 38
3.1 Spar型浮式风力发电机 39
3.1.1 Spar型浮式风力发电机概念 39
3.1.2 OC3-Hywind Spar型浮式风力发电机 40
3.1.3 Spar型浮式风力发电机研究现状 43
3.2 半潜式浮式风力发电机 44
3.2.1 半潜式浮式风力发电机概念 44
3.2.2 Tri-floater 半潜式浮式风机 45
3.2.3 半潜式浮式风力发电机研究现状 47
3.3 张力腿式浮式风力发电机 48
3.3.1 张力腿式浮式风力发电机概念 48
3.3.2 UMAINE-TLP 浮式风力发电机 49
3.3.3 TLP浮式风力发电机动力学研究现状 52
3.4 本章小结 53
参考文献 53
第4章 圆柱体涡激运动问题的提出 57
4.1 涡激振动 57
4.1.1 涡激振动发生的原因 57
4.1.2 涡激振动的工程实用分析法 58
4.1.3 防止和抑制涡激振动的方法 59
4.2 涡激运动 61
4.2.1 引起涡激运动的海域环境 61
4.2.2 涡激运动响应特征 62
4.3 涡激运动研究方法 62
4.4 影响圆柱涡激特性的因素 62
4.5 浮式圆柱型海洋结构物涡激运动 65
4.6 本章小结 68
参考文献 68
第5章 涡激运动基本理论 74
5.1 流体力学基础 74
5.1.1 基本概念 74
5.1.2 流体力学基本方程 79
5.2 涡激运动相关参数 81
5.2.1 流体类参数 81
5.2.2 结构类参数 82
5.2.3 流固耦合类参数 83
5.3 边界层理论 83
5.3.1 边界层的形成 84
5.3.2 边界层基本方程 84
5.3.3 边界层分离 86
5.4 计算流体力学基础 86
5.4.1 湍流数值计算方法 87
5.4.2 动网格技术 89
5.4.3 UDF程序嵌入 90
5.5 圆柱绕流及涡激振动理论 91
5.5.1 圆柱绕流基本理论 91
5.5.2 柱体涡激振动分析方法 92
5.6 本章小结 93
参考文献 93
第6章 圆柱绕流与强迫运动 96
6.1 网格划分与时间步长测试 96
6.1.1 网格划分 96
6.1.2 时间步长对比 98
6.2 圆柱绕流的数值模拟分析 99
6.2.1 圆柱绕流响应特性 99
6.2.2 尾流特性 105
6.3 强迫运动圆柱的数值模拟分析 106
6.3.1 参数设置 107
6.3.2 旋涡脱落模式 107
6.4 本章小结 108
参考文献 109
第7章 浮式单圆柱型海洋结构物涡激运动实验研究 110
7.1 概述 110
7.2 实验描述 111
7.2.1 研究对象 111
7.2.2 实验设备及仪器 112
7.2.3 静水自由衰减实验 115
7.2.4 实验工况 117
7.3 实验结果与分析 117
7.3.1 受力分析 117
7.3.2 涡激运动响应分析 118
7.3.3 影响浮式圆柱涡激运动实验的主要因素 125
7.3.4 长径比变化对涡激运动的影响 127
7.4 本章小结 130
参考文献 131
第8章 浮式多圆柱型海洋结构物涡激运动实验研究 133
8.1 概述 133
8.2 实验简介 134
8.3 模型实验方案 138
8.3.1 实验模型 138
8.3.2 坐标系与系泊方案 140
8.3.3 实验内容 141
8.3.4 模型静水和涡激运动实验 142
8.4 实验结果与分析 144
8.4.1 涡激运动响应 144
8.4.2 流向对VIM的影响 153
8.4.3 立柱截面形状对VIM的影响 156
8.5 本章小结 160
参考文献 161
第9章 浮式单圆柱型海洋结构物涡激运动数值模拟研究 164
9.1 引言 164
9.2 数值计算模型 166
9.2.1 涡激运动求解过程 166
9.2.2 计算网格测试 170
9.2.3 计算工况 171
9.3 数值模拟可靠性验证 172
9.3.1 振幅比较 172
9.3.2 轨迹比较 173
9.3.3 涡泄模式比较 174
9.4 浮式圆柱涡激运动的数值模拟 176
9.4.1 涡激运动响应 177
9.4.2 无量纲位移、升力及拖曳力系数时间历程曲线 179
9.4.3 力与位移间相位差 181
9.4.4 涡激运动响应谱与涡泄图 183
9.4.5 顺流向平衡位置 187
9.4.6 与实验结果对比 188
9.5 质量比对圆柱涡激特性的影响 189
9.5.1 涡激运动响应 189
9.5.2 运动轨迹与顺流向平衡位置 191
9.6 本章小结 193
参考文献 194
第10章 浮式多圆柱型海洋结构物涡激运动数值模拟研究 196
10.1 计算模型简介 196
10.2 TLP涡激运动特性 198
10.2.1 横流向涡激运动特性 199
10.2.2 顺流向涡激运动特性 201
10.2.3 涡激运动轨迹 203
10.2.4 涡激力 205
10.3 流向角对涡激运动特性的影响 206
10.4 涡激运动的耦合影响 208
10.5 与实验结果的对比 209
10.6 本章小结 212
参考文献 213
第11章 考虑尾流影响的TLP涡激力计算模型 214
11.1 概述 214
11.2 考虑尾流影响的涡激升力和拖曳力计算模型 215
11.2.1 涡激升力模型的提出 215
11.2.2 拖曳力模型的提出 216
11.3 涡激力模型的计算 218
11.4 TLP涡激运动的数值计算 219
11.4.1 顺流向涡激运动响应 219
11.4.2 横流向涡激运动响应 222
11.4.3 考虑尾流影响对涡激运动响应的影响 224
11.5 本章小结 225
参考文献 225
第12章 浮式圆柱涡激运动抑制方法实验研究 226
12.1 涡激运动抑制方法 226
12.2 浮式圆柱抑涡实验简介 228
12.2.1 实验模型 228
12.2.2 实验工况 229
12.3 螺旋侧板对涡激运动响应的影响 230
12.3.1 涡激运动响应幅值 230
12.3.2 涡激运动响应时历曲线 231
12.4 螺旋侧板对涡激运动频率的影响 233
12.5 螺旋侧板对涡激运动轨迹的影响 235
12.6 本章小结 236
参考文献 237

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