CN101949404A - 一种圆柱体波流载荷的消减方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆柱体波流载荷的消减方法。本发明方法是在圆柱波流载荷的待消减段上设置一圆筒形套层，在套层上开多个排气孔，套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过排气孔向外排出后即可消减圆柱波流载荷。该方法通过均匀地向振荡圆柱的尾流喷射流体，以减小振荡圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免边界层的分离或减缓边界层的分离，进而使分离的边界层在喷射流体的冲击下不足以形成漩涡，从而有效控制尾流中漩涡脱落的产生，达到抑制波、流非定常振荡力的目的。

Description

一种圆柱体波流载荷的消减方法

技术领域

本发明属于海洋工程领域，涉及一种圆柱体波流载荷的消减方法。

背景技术

二维圆柱体受波、流载荷共同作用的问题具有广泛的工程应用背景，如海洋石油平台桩腿、海底石油管线，以及跨海大桥桥墩等等。在定常水流和波浪的共同冲击下，在圆柱体上形成一种简谐振荡的流体作用力，使圆柱体发生振动。这种振荡力的存在将会造成柱结构的振动，长期的振动会导致圆柱体的疲劳损伤，特别是当振荡力的频率与圆柱体固有频率接近时，将使圆柱体发生共振，对结构的安全性、使用性能和寿命造成严重危害。对垂直于海平面放置的圆柱体而言，当水流和波浪方向一致时，形成的波、流非定常力最大，危害最大，是最典型的情况。这种典型情况下，圆柱体单位高度的水动力，可以用沿定常来流方向作简谐振荡的二维圆柱体单位长度(简称为流向振荡圆柱体)上的流体动力来模拟，两者等价。对于水平放置的海底管线而言，当管线经受水平水流和波浪共同作用时，水平方向的冲击力大于垂直方向，也可近似用流向振荡圆柱体的非定常流体动力来模拟。流向振荡圆柱体的交变载荷与圆柱表面上的流体边界层的非定常分离和尾流中旋涡脱落的交替产生有关。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种圆柱体波流载荷的消减方法。该方法通过均匀地向振荡圆柱的尾流喷射流体，以减小振荡圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免边界层的分离或减缓边界层的分离，进而使分离的边界层在喷射流体的冲击下不足以形成漩涡，从而有效控制尾流中旋涡脱落的产生，达到抑制波、流非定常振荡力的目的。

为实现上述发明目的，本发明方法是在圆柱波流载荷的待消减段上设置一圆筒形套层，在套层上开多个排气孔，套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过排气孔向外排出后即可消减圆柱波流载荷；其中p＝p₀+p₁，p₀为排气孔所受的最大环境水压，p₁为3～4个标准大气压。

所述的流体为空气、水或空气与水的混合物。

所述的套层与圆柱为同轴设置，且套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个排气孔。

所述的套层壁厚为0.05D～0.15D。

所述的排气孔直径为0.02D～0.05D，两个相邻排气孔的中心距为0.1D～0.2D，排气孔开孔方向与来流方向平行。

所述的套层与圆柱之间的间隙距离为0.05D～0.15D，其中D表示圆柱的截面直径。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、针对圆柱受水流和水波浪共同作用而发生的振荡，流体源提供一个均匀的正压，向圆柱体尾流排出流体，以最大限度地以减小振荡圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免或减缓边界层的分离，使得套层外的流体能够沿套层表面平滑地流过，从而有效抑制尾流中旋涡脱落的形成，达到消减波、流非定常振荡力的目的。

2、本方法适用性较强，控制不同振荡频率和振幅的圆柱时，只需对流体源的压力进行调节，方便快捷；控制不同方向的来流时，只需旋转套层，从而避免改变圆柱体结构本身，省时省力。

附图说明

图1是本发明控制圆柱体波流载荷的示意图；

图2是图1的A-A剖面的剖示图；

图3是应用本发明前振荡圆柱体向左运动时尾流的速度分布图；

图4是应用本发明后振荡圆柱体向左运动时尾流的速度分布图；

图5是应用本发明前振荡圆柱体向右运动时尾流的速度分布图；

图6是应用本发明后振荡圆柱体向右运动时尾流的速度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明方法是在圆柱体1波流载荷的待消减段上设置一圆筒形套层2，在套层上开多个排气孔3，套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后外接的流体源4通过连接管5向套层与圆柱之间所形成的空间内连续地充入压强为p的流体，使得喷出的流体速度大小为定常来流速度的4～6倍。其中p＝p₀+p₁，p₀为排气孔所受的最大环境水压，p₁为3～4个标准大气压。

套层与圆柱为同轴设置，使得套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个排气孔。

充入的流体可选空气、水或空气与水的混合物。

套层壁厚d为0.05D～0.15D。

排气孔直径为0.02D～0.05D，两个相邻排气孔的中心距L为0.1D～0.2D，排气孔开孔方向与来流方向平行。

套层与圆柱之间的间隙距离为0.05D～0.15D，其中D表示圆柱的截面直径。对于海底管线而言，图1、图2同样适用，只需将其旋转90°即可。

当水流方向与波浪的作用方向相反且两者速度接近时，将使得流体绕过套层时的逆压力梯度变小，漩涡的产生、脱落将因此受到抑制，这对于尾流的控制是有利的。但是当定常水流速度大小与波浪的速度大小差别较大时，此时无论水流与波浪的运动方向是否相反，都会引起较大的逆压梯度，从而导致圆柱体壁面附近剪切边界层的分离，分离的边界层在逆压梯度和主流牵引的共同作用下形成漩涡并脱落，与此同时在圆柱体迎流面边缘的两侧形成交替变化的压力场，使得作用于圆柱体1的振荡力明显增大。针对以上问题，由流体源提供一个均匀正压，通过控制流体源的正压压力，使得向尾流喷射的流体速度大小为来流速度的4～6倍，以减小流体绕过圆柱体的压力梯度，同时利用喷射的流体冲击已分离的边界层，从而抑制漩涡的产生，消减圆柱的波流载荷。若水流的方向发生变化，如随季节而变化方向的洋流，只需将套层旋转一定的角度，使其开孔位于圆柱的背流面，同时开孔方向与流向相同，便可有效地消减圆柱的波流荷载。

以下结合实验给出应用本发明来控制振荡力的实例。首先，对于垂直于海平面放置的圆柱体来说，当水流和波浪方向一致时，形成的波、流非定常力最大，危害最大，是最典型的情况。这种典型情况下，圆柱体单位高度的水动力，可以用单位流向振荡圆柱体上的流体动力来模拟，两者等价。对于水平放置的海底管线而言，当管线经受水平水流和波浪共同作用时，水平方向的冲击力大于垂直方向，也可近似用流向振荡圆柱体的非定常流体动力来模拟。如上所述，可以用处在均匀来流中沿流向做简谐振荡的圆柱来模拟受波流载荷共同作用的圆柱。然后，对处均匀流中的振荡圆柱模型进行实验。实验时，由风洞提供均匀的流场来模拟定常的来流，圆筒形套层水平放置于风洞的实验段，其跨度方向与来流方向垂直。圆柱体的长度为600mm，直径D为40mm。套层两端都有盖板密封，套层的一端在距风洞壁面10mm处悬空，另一端固定在机械驱动振荡平台上，在振荡平台的带动下作振幅为12mm，频率为2.0Hz的流向简谐振荡，套层的直径为50mm，长度为600mm，套层的壁厚为3mm；套层背流面开有一列等间距的排气孔，其直径为1mm，相邻排气孔间距为8mm；定常来流速度为1.3m/s。图3给出了应用本发明前，即流体源未向圆柱体尾流区域喷射流体时，圆柱向左振荡时尾流区的瞬态速度分布图。由图可知，此时圆柱体尾流中存在明显的漩涡，这表明圆柱受到较大的振荡力的作用。应用本发明后，即由流体源经向圆柱体背流面的多个排气孔同时向其尾流喷射流体，且喷射流体的出口速度为5m/s(流体源内的压力高出环境压力4个标准大气压)，此时振荡圆柱体(亦是向左运动)尾流的瞬态速度分布图如图4所示。依图4可知，应用本发明方法后，振荡圆柱体的尾流在喷射流体的冲击下已基本无漩涡产生，波、流非定常力因此被控制在一个较低的水平，从而提高了结构的安全性和使用性能。图5与图6分别给出了圆柱体向右运动时，应用本发明前后的圆柱体尾流的速度分布图。由图5与图6的比较可知，当圆柱体向右运动时，应用本发明方法同样可以很好地抑制漩涡的产生、脱落，从而有效地消减作用在圆柱体上的流体振荡力。

Claims (3)

1.一种圆柱体波流载荷的消减方法，其特征在于该方法是在圆柱波流载荷的待消减段上设置一圆筒形套层，在套层上开多个排气孔，套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过排气孔向外排出后即可消减圆柱波流载荷；其中p＝p₀+p₁，p₀为排气孔所受的最大环境水压，p₁为3～4个标准大气压；

所述的套层与圆柱为同轴设置，且套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个排气孔。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱体波流载荷的消减方法，其特征在于：所述的流体为空气、水或空气与水的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种圆柱体波流载荷的消减方法，其特征在于：所述的套层壁厚为0.05D～0.15D；所述的排气孔直径为0.02D～0.05D，两个相邻排气孔的中心距为0.1D～0.2D；所述的套层与圆柱之间的间隙距离为0.05D～0.15D，其中D表示圆柱的截面直径。

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