CN102519706A - 一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋深水浮筒平台的研究方法，具体涉及一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置及试验方法。该装置包括一个置于造流系统水池中的试验模型筒体，该试验模型筒体采用浮筒平台硬舱的一段，筒体长度取螺旋板的1/2～2/3螺距；筒体下端通过四根弹簧与水池的底板连接，筒体上端安装三向加速度传感器，三向加速度传感器的两个水平方向分别沿流体流速方向和垂直流速方向。本发明建立了深水浮筒平台自激振荡的试验验证装置及方法，从而确立了深水浮筒平台自激振荡理论，解决了深水浮筒平台自激振荡研究的具体方案。
Description
技术领域
本发明涉及海洋深水浮筒平台的研究方法，具体涉及一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置及试验方法。
背景技术
深水浮筒平台(Spar)的硬舱外壁焊有控制涡激运动的螺旋板，造成了浮筒平台横截面的几何形状不对称，且直径较大。当平台发生横流向运动(涡激运动或波浪引起的横流向运动)时，流体与平台的相对速度不再垂直于平台的运动方向，产生了攻角α，从而引起横流向的升力，该升力是攻角的函数(
其中为浮筒平台的横流向振荡速度，U为流速)，当流速为常量时，攻角随平台横流向速度的变化而变化，因此，由攻角的形成而产生的升力和拖曳力是交变的流体力，这就加剧了平台的运动。这种由平台自身运动而引发的往复运动被称为自激振荡。目前，浮筒平台的自激振荡没有被普遍认识，浮筒平台的流致振荡仅仅被解释为涡激运动(Vortex Lnduced Motion，缩写为VIM)。
但是，按照圆柱体涡激振动理论计算得到的横流向运动远远小于模型试验结果(目前，还没有浮筒平台的涡激运动计算方法，只能通过试验室的模型试验来间接得到)。这表明，自激振荡对浮筒平台的横流向运动有不可忽略的影响。
目前的理论认为，浮筒平台的流致运动仅仅是涡旋脱落引起的涡激运动。但是，采用圆柱体的涡激振动理论和方法分析计算浮筒平台的运动与试验室模型试验结果相差较大。因此，目前浮筒平台的横流向运动只能采用模型试验来研究。但是，由于没有意识到自激振荡问题。因此，采用的试验方法是涡激运动的试验方法，即令流速的选择是以产生涡旋脱落为条件，从而不能发现自激振荡现象。
发明内容
本发明的目的是基于自激振动和驰振理论，且考虑到浮筒平台的涡激运动，提供一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置及试验方法。
本发明的技术方案如下：一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置，包括一个置于造流系统水池中的试验模型筒体，该试验模型筒体采用浮筒平台硬舱的一段，筒体长度取螺旋板的1/2～2/3螺距；筒体下端通过四根弹簧与水池的底板连接，筒体上端安装三向加速度传感器，三向加速度传感器的两个水平方向分别沿流体流速方向和垂直流速方向。
一种采用上述试验装置的深水浮筒平台的自激振荡试验方法，包括如下步骤：
(S1)将试验模型筒体安装在造流系统水池中，安装位置距水流出口处的距离为水池长度的1/3～1/2；
(S2)开启造流系统，待流速稳定后，通过调整流速使试验模型筒体尾流处不产生涡旋；
(S3)待流体流速和试验模型筒体都稳定后，用流速仪测量筒体上、下游和尾流处的流速，并记录；
(S4)采用初始位移法对试验模型筒体进行横流向的扰动，观察试验模型筒体的运动状态及尾流形态，如尾流处有涡旋形成，则停止试验，重新调整流速，重复步骤(S3)～(S4)，直至试验模型筒体尾流处没有涡旋产生；
(S5)测量试验模型筒体的运动响应，记录时间应至少大于10个振荡周期，一个振荡周期为试验模型筒体往复运动一个来回所需的时间；
(S6)连续记录三个数据样本，数据样本包括时间和与时间一一对应的结构加速度、速度和位移，同时观察试验模型筒体的振荡状态，如尾流处有涡旋产生，则停止试验，重新调整流速，重复步骤(S3)～(S6)；
(S7)分析三个样本数据，只要有一个数据样本呈现稳态振荡，则说明自激振荡存在；如果三个数据样本都显示试验模型筒体发生自由衰减振荡，则应重复步骤(S2)～(S7)的试验过程，而如果多次试验均没有发现试验模型筒体有稳态振荡的趋势，则说明自激振荡不存在。
进一步，如上所述的深水浮筒平台的自激振荡试验方法，步骤(S2)中，如果试验模型筒体产生了运动，则待不产生涡旋的流速稳定后，令试验模型筒体稳定在平衡位置。
本发明的有益效果如下：本发明提出了深水浮筒平台的自激振荡概念，并建立了深水浮筒平台自激振荡的试验验证装置及方法，从而确立了深水浮筒平台自激振荡理论，解决了深水浮筒平台自激振荡研究的具体方案。
附图说明
图1为本发明试验模型筒体的结构示意图；
图2为本发明自激振荡试验装置的结构示意图；
图3为本发明自激振荡试验方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置，包括一个置于造流系统水池中的试验模型筒体1，该试验模型筒体1采用浮筒平台硬舱的一段，筒体长度取螺旋板2的1/2～2/3螺距，如图1所示。试验模型的筒体直径可根据试验水池或水槽的大小来确定，试验模型不完全浸于水中，浸没深度约为模型长度的2/3即可。筒体的安装方式如图2所示，下端通过四根弹簧3与水池的底板4连接，筒体上端安装三向加速度传感器5，三向加速度传感器5的两个水平方向分别沿流体流速方向和垂直流速方向。
注：建议给出模型筒体直径与试验水池的大小之间的关系.(模型同体直径应小试验水池宽度的1/20)
一种采用上述试验装置的深水浮筒平台的自激振荡试验方法，包括如下步骤：
(S1)将试验模型筒体安装在造流系统水池中，安装位置距水流出口处的距离为水池长度的1/3～1/2；造流系统水池(或水槽)的造流出口位于水池或水槽的一端，模型距造流系统出口应有一段距离，以避开水流出口处的流场不稳定区；
(S2)开启造流系统，待流速稳定后，通过调整流速使试验模型筒体尾流处不产生涡旋；如果试验模型筒体产生了运动，则待不产生涡旋的流速稳定后，令试验模型筒体稳定在平衡位置；
(S3)待流体流速和试验模型筒体都稳定后，用流速仪测量筒体上、下游和尾流处的流速，并记录；
(S4)采用初始位移法对试验模型筒体进行横流向的扰动，观察试验模型筒体的运动状态及尾流形态，如尾流处有涡旋形成，则停止试验，重新调整流速，重复步骤(S3)～(S4)，直至试验模型筒体尾流处没有涡旋产生；
(S5)测量试验模型筒体的运动响应，记录时间应至少大于10个振荡周期，一个振荡周期为试验模型筒体往复运动一个来回所需的时间；
(S6)连续记录三个数据样本，数据样本包括时间和与时间一一对应的结构加速度、速度和位移，同时观察试验模型筒体的振荡状态，如尾流处有涡旋产生，则停止试验，重新调整流速，重复步骤(S3)～(S6)；
(S7)分析三个样本数据，只要有一个数据样本呈现稳态振荡，则说明自激振荡存在；如果三个数据样本都显示试验模型筒体发生自由衰减振荡，则应重复步骤(S2)～(S7)的试验过程，而如果多次试验均没有发现试验模型筒体有稳态振荡的趋势，则说明自激振荡不存在。分析样本数据的方法为本领域的公知技术，此处不再过多介绍，试验次数可根据需要选定，一般重复三次即可。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种深水浮筒平台的自激振荡试验装置，包括一个置于造流系统水池中的试验模型筒体，该试验模型筒体采用浮筒平台硬舱的一段，筒体长度取螺旋板的1/2～2/3螺距；筒体下端通过四根弹簧与水池的底板连接，筒体上端安装三向加速度传感器，三向加速度传感器的两个水平方向分别沿流体流速方向和垂直流速方向。
2.一种采用权利要求1的试验装置进行的深水浮筒平台自激振荡试验方法，包括如下步骤：
(S1)将试验模型筒体安装在造流系统水池中，安装位置距水流出口处的距离为水池长度的1/3～1/2；
(S2)开启造流系统，待流速稳定后，通过调整流速使试验模型筒体尾流处不产生涡旋；
(S3)待流体流速和试验模型筒体都稳定后，用流速仪测量筒体上、下游和尾流处的流速，并记录；
(S4)采用初始位移法对试验模型筒体进行横流向的扰动，观察试验模型筒体的运动状态及尾流形态，如尾流处有涡旋形成，则停止试验，重新调整流速，重复步骤(S3)～(S4)，直至试验模型筒体尾流处没有涡旋产生；
(S5)测量试验模型筒体的运动响应，记录时间应至少大于10个振荡周期，一个振荡周期为试验模型筒体往复运动一个来回所需的时间；
(S6)连续记录三个数据样本，同时观察试验模型筒体的振荡状态，如尾流处有涡旋产生，则停止试验，重新调整流速，重复步骤(S3)～(S6)；
(S7)分析三个样本数据，数据样本包括时间和与时间一一对应的结构加速度、速度和位移，只要有一个数据样本呈现稳态振荡，则说明自激振荡存在；如果三个数据样本都显示试验模型筒体发生自由衰减振荡，则应重复步骤(S2)～(S7)的试验过程，而如果多次试验均没有发现试验模型筒体有稳态振荡的趋势，则说明自激振荡不存在。
3.如权利要求2所述的深水浮筒平台的自激振荡试验方法，其特征在于：步骤(S2)中，如果试验模型筒体产生了运动，则待不产生涡旋的流速稳定后，令试验模型筒体稳定在平衡位置。
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