[發明專利]基于錨鏈張力和立管上端角的水下流速剖面估計方法

有效

• 申請號: 201711041334.3
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107966585B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發明（設計）人: 任政儒;蔣致禹;施偉;寧德志
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01P5/02
• 分類號: G01P5/02;G06F17/50
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了一種基于錨鏈張力和立管上端角的水下流速剖面估計方法，該水下流速剖面估計方法所用的硬件系統包括用于測量錨鏈張力變化的錨鏈張力傳感器、用于測量立管端角的立管端角傳感器、立管預張力傳感器以及信號采集模塊；錨鏈張力傳感器、立管端角傳感器、立管預張力傳感器實時測量錨鏈張力、立管端角及立管頂端預張力數據，并通過信號采集模塊采集，即為錨鏈和立管對應的前驗信息，利用優化方法，得到最佳流速剖面估計；本方法的優點在于可以有效的利用已有數據，進行流速剖面估計。原有系統可通過軟件升級實現響應的算法。本方法無需額外設備及投入，價格低廉，極大的提高了對水下環境情況的檢測水平，有利于增強水下生產和操作的安全性。

技術領域

本發明涉及一種應用于海洋工程方面的水下流速剖面估計方法，特別涉及應用錨鏈拉力和立管端角來估計環境海流速度輪廓的方法。

背景技術

海流速度對于眾多海上作業有著重要的影響，比如，浮式海洋平臺錨鏈安裝、深水起重和水下機器人操縱等。由于海流的形成原因復雜，流速隨水深和時間變化，水下流速的測量通常依靠固定在指定水深的流速計來實現。然而該方法成本較高，安裝費時，不利于短期操作。

發明內容

本發明提出一種根據錨鏈張力和立管端角進行流速估算的方法。該方法可以利用已有前驗數據來快速、方便地進行流速估算。

本發明的技術方案：

一種基于錨鏈張力和立管上端角的水下流速剖面估計方法，步驟如下：

該水下流速剖面估計方法所用的硬件系統包括用于測量錨鏈張力變化的錨鏈張力傳感器8、用于測量立管端角的立管端角傳感器11、立管預張力傳感器10以及信號采集模塊；

錨鏈張力傳感器8、立管端角傳感器11、立管預張力傳感器10實時測量錨鏈張力、立管端角及立管頂端預張力數據，并通過信號采集模塊采集，即為錨鏈和立管對應的前驗信息，利用優化方法(例如最小平方差估計)，得到最佳流速剖面估計；

其中，根據錨鏈、立管、環境參數對錨鏈和立管分別建模；利用已建立的錨鏈模型和假定的流速剖面(如均勻流、墨西哥灣流)，計算錨鏈張力變化量；利用已建立的立管模型，根據不同的流速剖面和立管頂端預張力，計算并獲得相應的立管端角變化量；綜上，得到一條錨鏈和一條立管對應的單一前驗數據；根據錨鏈和立管的布置圖，得到全部錨鏈和全部立管對應的全部前驗信息(數據初始化)；

海洋浮式結構設有N根錨鏈固定，錨鏈經過導纜孔固定在轉塔，錨鏈編號為i＝1…N；M根剛性立管從海底延伸到海洋浮式結構，在每根立管頂端均配置一個張緊器用于調節立管軸向拉力,立管標號為j＝1…M；錨鏈和立管的結構相關屬性和參數，錨鏈和立管底端固定點位置為已知值；錨鏈張力T_i和立管頂端端角、底端端角α_j,β_j為可測量值；由于一階波浪運動，T_i,α_j,β_j將隨著海洋浮式結構的運動而發生變化，故其不是穩定值；

(1)錨鏈張力在海流下的變化量與流速剖面有關：在沒有浪和流的條件下，錨鏈提供的張力為T_i0；當錨鏈受到水流作用時，錨鏈的張力發生變化，變為T_i(t)，變化量ΔT_i(t)＝T_i(t)-T_i0；對于不同的流速剖面，錨鏈張力變化量也不同；對于同樣的流速剖面和不同的來流角度，錨鏈的張力變化量也不同；以圖3中所示流速剖面(均勻流和墨西哥灣流)為例，其流速剖面與來流方向對張力變化量的影響的關系如圖4所示。由于海洋浮式結構的一階波浪運動，ΔT_i(t)繞著其平衡點對應的變化值上下變化，其中，為在平衡點處錨鏈張力；