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1、Spar平台涡激运动关键特性研究进展王颖,杨建民,杨晨俊(上海交通大学,上海200030)摘要:介绍了目前国际上Spar平台涡激运动研究的概况,并从涡激运动的形成机理、涡激运动响应特征、涡激运动抑制方法、涡激运动研究及预报方法等几个方面对其关键特性进行了详细阐述,提出了这一课题未来研究方向的有关建议。关键词:Spar平台;涡激运动;减涡侧板;CFD;模型试验中图分类号:P75文献标识码:AREVIEWONTHESTUDYOFSPARVORTEX2INDUCEDMOTIONSKEYCHARACTERISTICYANGJian2
2、min,YANGChen2junWANGYing,(ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Thispaperreviewstherecentstudiesrelatedtosparvortexinducedmotionphenomenon,andpresentssomekeypointsonthevortexsheddingmechanism,theresponsecharacteristics,thesuppressionmethod,themod
3、eltestandCFDsimulationindetail.Andsomesuggestionsforfurtherstudiesinthisfieldareproposed.Keywords:sparplatform;vortexinducedmotions;helicalstrake;CFD;modeltest引言0在工程各界,对物体在空气、水等流体介质中涡激振动(Vortex2InducedVibrations,VIV)现象的研究由来已久。涡激振动是在一定速度的来流中,由物体背后交替泻涡导致的脉动压力而引起的结构振动
4、,可能发生在不同的结构上,如桥梁、电缆、工厂的烟囱、海洋管线等。在海洋工程领域中,目前研究比较广泛、成果较多的是海洋平台立管及海底管线等大长细比柔性结构物的涡激振动。而Spar平台作为近十年间才问世并得到广泛应用的大尺度海洋平台,一方面,它的大吃水柱状主体结构决定了它在一定的流场条件下产生漩涡脱落,从而根据涡激振动原理,也将产生相应运动现象的特性;另一方面,它相对较小的纵横比、整个结构体的刚性特征,以及作为海洋平台特有的漂浮、锚泊和水动力性能,又使得它在漩涡脱落的作用下,显示出与海洋立管等细长体完全不同的运动特征。Spar平
5、台的柱形主体在强流作用下引起漩涡脱落,从而产生大幅的水平运动,增加立管及锚泊系统的载荷[1]。为了区别于一般的涡激振动,将Spar平台这种独有的运动响应称为涡激运动(Vortex2InducedMotions,VIM)。Spar平台的涡激运动(VIM)是涡激振动(VIV)中的一个特例,它的响应幅值很大,周期较长。自从这种特殊的运动响应在安装于墨西哥湾的Spar平台上发生并引起重视,海洋工程领域便诞生了一收稿日期:2007-12-29基金项目:国家863重大项目课题(2006AA09A107)作者简介:王颖(19822),女,
6、博士生,从事船舶与海洋工程方面的研究。·2·中国海洋平台第23卷第3期个新的研究课题。目前,国际上的一些研究机构已相继开展关于Spar平台涡激运动的研究。相对于其排水量来说,Spar平台水线面小,重心低,这使得Spar平台拥有极好的稳性,并且对波浪激励具有较小的响应。这些优良性能使得Spar平台很快得到业界的认可并进入繁荣发展的时代。但是与其他类型的海洋平台相比,Spar平台在强流作用下容易发生涡激运动这一特性决定了在设计和研究过程中必须对相关方面进行更加严密的考虑。自从第一座Spar平台安装于墨西哥湾以来,Spar平台主体
7、的形状已从单独的“常规式”(ClassicSpar)概念进化产生“桁架式”(TrussSpar)和“多柱式”(CellSpar)等概念,所有这些不同形式的Spar平台在一定的来流条件下都可能发生涡激运动。观测数据表明,有些已安装并投入使用的Spar平台在较高流速下已出现过涡激运动幅值高于设计期间预计值的情况[1]。例如,2001年4月发生在墨西哥湾的Millennium涡流作用下,安装在墨西哥湾GreenCanyonBlock205的ChevronTexacoGene2sisSpar平台,经历了比锚泊及立管系统初始设计预报值
8、大得多的涡激运动———最大的响应幅值达到了主体直径的40%,远远超过在百年一遇涡流中最大响应幅值17%的设计预报值[2]。对于海洋结构物来说,涡激运动会增加锚链和立管的疲劳破坏,缩短总体疲劳寿命,增加结构物上的总阻尼。对于锚泊系统和立管设计来讲,Spar平台的涡激运动的估计非常重要,这是因
