[發明專利]內孤立波作用下海洋浮式結構的耦合運動及測力模擬實驗系統

有效

• 申請號: 201811283333.4
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109436197B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 王智峰;崔俊男;董勝;陶山山;張日
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: B63B79/20
• 分類號: B63B79/20;B63B79/30
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 王丹丹

本發明公開一種內孤立波作用下海洋浮式結構的耦合運動及測力模擬實驗系統，包括浮式結構模型、運動響應記錄單元、錨鏈單元以及錨鏈測力單元，可以實時記錄內孤立波作用下浮式結構模型的運動響應和錨鏈受力情況；浮式結構模型包括平臺主體、運動測量裝置安裝部以及配重，各部分之間相互獨立，方便安裝，增減配重也比較便捷；運動響應記錄單元采用微電子陀螺儀和微電子加速度計結合，具有測量精度高、體積小，成本低等優勢，不僅能夠準確的測得浮式結構的運動響應，還可以通過對平臺所受加速度分析獲得其所受合力；另外，通過光纖布拉格光柵進行錨鏈測力，不僅得到錨鏈受力的分布特征，還能夠通過光纖布拉格光柵應力應變的不同了解錨鏈的彎曲情況，該實驗系統的構建及實施對于浮式結構的穩定性研究具有重要意義。

技術領域

本發明涉及海上浮式結構試驗設備技術領域，具體涉及一種內孤立波作用下海洋浮式結構的耦合運動及測力模擬實驗系統。

背景技術

海洋內波是發生于海水表面以下的一種波動形式，是一種重力波，或稱為內慣性重力波。近幾十年，各國專家學者通過實測或遙感手段觀測發現，內波在海洋當中是一種非常常見的自然現象。海洋中內波的波長范圍一般從幾百米到幾十千米不等，周期從幾分鐘到幾小時不等。在連續分層的海水當中，冷水、熱水或淡水、鹽水產生的密度梯度通常來說比較小，但正是由于這種密度梯度很小，引起分層界面上海水粒子的垂向運動所需的擾動就很小。簡單來講，船行駛的擾動就可能在海水密度分層的海域形成內波，也正是由于形成內波需要的擾動很小，內波的振幅通常會比表面波大很多，一般從幾米到上百米不等，目前觀測的最大內波振幅為180m。

內波引起的海水垂向運動對于海洋中能量輸運至關重要，它能將海洋上層的能量傳至深層，又把深層較冷的海水連同營養物質帶到較暖淺層，促進海洋生物的繁衍生息。內波導致海水等密度面的波動，影響聲速的大小和方向均勻性，對聲吶的影響極大，這也有利于潛艇在水下的隱蔽。但是，內波也有其有害的一面，內波與表面波一樣，會對海上設施造成影響，內波對船只航行和潛艇航行也都有著明顯的影響，尤其是內孤立波。內孤立波的波長范圍從幾十千米到幾百千米不等，非線性特征非常強，變化周期在幾個小時，空間尺度為幾百米到幾千米不等。普遍認為，內孤立波會對海洋平臺造成一定程度的影響，由于內孤立波波致流速上下層相反的緣故，往往會對海洋平臺的立管、立柱產生強大的剪切力致使其損壞或者失效，由于內孤立波波致流速較大，也很有可能造成平臺的傾斜、傾覆，產生嚴重后果。

2012年中國“海洋石油981”平臺投入使用，標志著中國具備了3000m超深海進行勘探開發海洋油氣的能力，中國在南海的海洋石油開采部署也不斷增多，未來10年，中國將加大領海區域內的油氣資源，重點開發深度大于500m的深海和超深海域。而諸如南海在內的深海海域，由于海水密度層化，表面潮汐和內潮由深海向淺海行進過程中，受到南海呂宋海峽海堤丘陵地形影響，很容易形成振幅較大的內孤立波，從而對海洋石油的開采作業造成一定的危險。1987年，研究團隊在設計流花海洋石油平臺時，遭遇到了強大的內孤立波，造成了正在安裝當中的平臺損壞。2006年，Discoverer534平臺進行固井作業時遭遇內波，強大的內波流致使平臺橫向位移過大，緊急解脫程序啟動，導致固井失敗。2013年南海自營深水井鉆井平臺作業期間遭遇強大內波，致使平臺漂移49m。而且內波不像表面波和臺風等氣象災害那么容易觀測，往往是即將發生或發生過后才被察覺。這也使得研究內波對海洋平臺運動響應的影響變得尤為重要。

浮式結構在內孤立波和錨鏈單元共同作用下會發生六自由度運動響應，傳統試驗方法難以捕捉平臺的運動特性以及錨鏈單元實時的作用力，目前對于內孤立波作用下浮式結構運動響應的實驗研究幾乎為零，已有的研究多為固定平臺模型的受力實驗及理論計算。比如，大連理工大學的宋志軍對內孤立波作用下浮式結構運動響應進行了理論分析，上海交通大學的尤云祥等對內孤立波作用下浮式結構受到的波浪力進行了實驗探究，但對于內孤立波作用下浮式結構響應的試驗研究鮮有報道。