[發(fā)明專利]一種考慮長(zhǎng)徑比影響的浮式圓柱渦激運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810132728.8
• 申請(qǐng)日: 2018-02-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108414191A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫洪源;肖素雅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東交通學(xué)院
• 主分類號(hào): G01M10/00
• 分類號(hào): G01M10/00
• 代理公司: 北京匯捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮長(zhǎng)徑比影響的浮式圓柱渦激運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)及方法，浮式圓柱模型豎直漂浮在波流水槽內(nèi)，四根在同一平面兩兩垂直的彈性系泊纜一端固定在浮式圓柱模型上、另一端固定在水槽內(nèi)壁，浮式圓柱模型的直徑兩端分別安裝有兩個(gè)橫流向壓力傳感器和兩個(gè)順流向壓力傳感器，用于測(cè)量橫流向與順流向的動(dòng)水壓力，浮式圓柱模型頂部安裝加速度傳感器，用來(lái)獲得橫流向及順流向位移；通過(guò)調(diào)整浮式圓柱模型的壓載重量及水槽內(nèi)水面高度，來(lái)改變模型的吃水，并始終保持圓柱的漂浮狀態(tài)，獲得多種長(zhǎng)徑比的浮式圓柱模型效果。本發(fā)明的有益效果是能夠準(zhǔn)確的模擬分析不同長(zhǎng)徑比浮式圓柱渦激運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種考慮長(zhǎng)徑比影響的浮式圓柱渦激運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

長(zhǎng)期以來(lái)，工程上對(duì)渦激振動(dòng)(Vortex-Induced Vibrations,VIV)現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究。渦激振動(dòng)是結(jié)構(gòu)物在一定的來(lái)流速度下，其下游產(chǎn)生了周期性的渦旋泄放，引起脈動(dòng)壓力，從而致使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。海洋工程中，研究較為廣泛的是海底油氣管道、立管等極大長(zhǎng)徑比柔性結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象。自上世紀(jì)九十年代，Spar海洋平臺(tái)第一次應(yīng)用在墨西哥灣水深588m的水域，其在環(huán)墨西哥灣洋流作用下的低頻、大幅運(yùn)動(dòng)成為工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。一方面，Spar平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)為深吃水的立柱結(jié)構(gòu)，在一定流速作用下同樣會(huì)發(fā)生渦旋的泄放，所以根據(jù)渦激振動(dòng)的理論，Spar平臺(tái)同樣表現(xiàn)出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征；另一方面，由于平臺(tái)為剛性結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)徑比相對(duì)較小，且漂浮于水面之上，從而表現(xiàn)出許多與渦激振動(dòng)不同的運(yùn)動(dòng)特性。為了加以區(qū)別，將這種運(yùn)動(dòng)稱為渦激運(yùn)動(dòng)(Vortex-Induced Motions,VIM)。大幅值的渦激運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致立管與錨鏈的疲勞損傷，降低疲勞壽命。隨著海洋平臺(tái)所處水域的水深更大、環(huán)境更惡劣，同樣具有立柱式結(jié)構(gòu)的Monocolumn平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，由于平臺(tái)吃水降低，而具有更小的長(zhǎng)徑比，導(dǎo)致其渦激運(yùn)動(dòng)相比于Spar平臺(tái)表現(xiàn)出更加強(qiáng)烈的三維特性。

渦激運(yùn)動(dòng)的研究方法包括：實(shí)地監(jiān)測(cè)研究、CFD模擬研究和模型實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)地監(jiān)測(cè)可以獲得平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的第一手資料，但由于監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、成本高昂，相關(guān)資料十分有限。CFD模擬有著省時(shí)、直觀、高效的特點(diǎn)，被越來(lái)越多學(xué)者所應(yīng)用，但由于渦激運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和特殊性，CFD模擬需要考慮網(wǎng)格敏感度、邊界層模擬、表面粗糙度、湍流模型等多個(gè)方面，因此必須結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)共同進(jìn)行。模型實(shí)驗(yàn)是渦激運(yùn)動(dòng)研究的主要方法，主要包括三種形式：一是靜水拖曳實(shí)驗(yàn)；二是循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)；三是水池造流實(shí)驗(yàn)。三種方法優(yōu)缺點(diǎn)明顯：在拖曳水池中展開(kāi)實(shí)驗(yàn)可以選擇具有較大縮尺比的模型和相對(duì)較大的流速，但水池最大長(zhǎng)度是有限的，所以采樣時(shí)間十分有限，而且只能對(duì)均勻流進(jìn)行模擬；在循環(huán)水槽展開(kāi)實(shí)驗(yàn)可以保證充足的采樣時(shí)間，以獲得足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但循環(huán)水槽尺寸普遍較小，對(duì)模型的縮尺比有限制；在海洋工程水池造流，雖然可以模擬均勻流和非均勻流，且采樣時(shí)間可以保證，但所造流速相對(duì)較小，有時(shí)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)效果的要求。

長(zhǎng)徑比是指圓柱沒(méi)入流體中的長(zhǎng)度與其直徑的比值。渦激振動(dòng)的研究對(duì)象主要是立管、海底管線等細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)徑比的影響力極小，可以忽略不計(jì)；而渦激運(yùn)動(dòng)研究的對(duì)象為Spar、Monocolumn等海洋浮式結(jié)構(gòu)物，其長(zhǎng)徑比極低，需要考慮其對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)的影響。流體中低長(zhǎng)徑比圓柱的研究多集中在平板上直立有限長(zhǎng)圓柱的繞流分析。Kawamura研究了長(zhǎng)徑比的改變對(duì)圓柱下游渦泄模式的影響。Park采用粒子成像法研究了長(zhǎng)徑比L/D＝6的圓柱在雷諾數(shù)Re＝7500時(shí)的流動(dòng)現(xiàn)象。Sumner研究了低長(zhǎng)徑比圓柱的尾流速度場(chǎng)，并利用壓力傳感器研究了不同長(zhǎng)徑比L/D＝3、5、7、9圓柱的渦泄模式變化。圓柱渦激特性中，針對(duì)長(zhǎng)徑比這一影響因素所開(kāi)展的研究非常少。Goncalves利用兩種彈性支撐方式(鐘擺式、懸臂梁式)，對(duì)質(zhì)量比1＜m*＜3，長(zhǎng)徑比1＜L/D＜2的圓柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出隨著長(zhǎng)徑比的下降振幅也隨之下降。隨后Goncalves選擇懸臂梁彈性支撐方式，對(duì)多組長(zhǎng)徑比圓柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出：低長(zhǎng)徑比條件下渦激振動(dòng)頻率不再符合高長(zhǎng)徑比下渦激振動(dòng)的相關(guān)規(guī)律，這與長(zhǎng)徑比降低導(dǎo)致了渦泄模式的改變有關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容