CN107966585A - 基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法 - Google Patents

基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法，该水下流速剖面估计方法所用的硬件系统包括用于测量锚链张力变化的锚链张力传感器、用于测量立管端角的立管端角传感器、立管预张力传感器以及信号采集模块；锚链张力传感器、立管端角传感器、立管预张力传感器实时测量锚链张力、立管端角及立管顶端预张力数据，并通过信号采集模块采集，即为锚链和立管对应的前验信息，利用优化方法，得到最佳流速剖面估计；本方法的优点在于可以有效的利用已有数据，进行流速剖面估计。原有系统可通过软件升级实现响应的算法。本方法无需额外设备及投入，价格低廉，极大的提高了对水下环境情况的检测水平，有利于增强水下生产和操作的安全性。

Description

基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法
技术领域
本发明涉及一种应用于海洋工程方面的水下流速剖面估计方法，特别涉及应用锚链拉力和立管端角来估计环境海流速度轮廓的方法。
背景技术
海流速度对于众多海上作业有着重要的影响，比如，浮式海洋平台锚链安装、深水起重和水下机器人操纵等。由于海流的形成原因复杂，流速随水深和时间变化，水下流速的测量通常依靠固定在指定水深的流速计来实现。然而该方法成本较高，安装费时，不利于短期操作。
发明内容
本发明提出一种根据锚链张力和立管端角进行流速估算的方法。该方法可以利用已有前验数据来快速、方便地进行流速估算。
本发明的技术方案：
一种基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法，步骤如下：
该水下流速剖面估计方法所用的硬件系统包括用于测量锚链张力变化的锚链张力传感器8、用于测量立管端角的立管端角传感器11、立管预张力传感器10以及信号采集模块；
锚链张力传感器8、立管端角传感器11、立管预张力传感器10实时测量锚链张力、立管端角及立管顶端预张力数据，并通过信号采集模块采集，即为锚链和立管对应的前验信息，利用优化方法(例如最小平方差估计)，得到最佳流速剖面估计；
其中，根据锚链、立管、环境参数对锚链和立管分别建模；利用已建立的锚链模型和假定的流速剖面(如均匀流、墨西哥湾流)，计算锚链张力变化量；利用已建立的立管模型，根据不同的流速剖面和立管顶端预张力，计算并获得相应的立管端角变化量；综上，得到一条锚链和一条立管对应的单一前验数据；根据锚链和立管的布置图，得到全部锚链和全部立管对应的全部前验信息(数据初始化)；
海洋浮式结构设有N根锚链固定，锚链经过导缆孔固定在转塔，锚链编号为i＝1…N；M根刚性立管从海底延伸到海洋浮式结构，在每根立管顶端均配置一个张紧器用于调节立管轴向拉力,立管标号为j＝1…M；锚链和立管的结构相关属性和参数，锚链和立管底端固定点位置为已知值；锚链张力Ti和立管顶端端角、底端端角αj,βj为可测量值；由于一阶波浪运动，Ti,αj,βj将随着海洋浮式结构的运动而发生变化，故其不是稳定值；
(1)锚链张力在海流下的变化量与流速剖面有关：在没有浪和流的条件下，锚链提供的张力为Ti0；当锚链受到水流作用时，锚链的张力发生变化，变为Ti(t)，变化量ΔTi(t)＝Ti(t)-Ti0；对于不同的流速剖面，锚链张力变化量也不同；对于同样的流速剖面和不同的来流角度，锚链的张力变化量也不同；以图3中所示流速剖面(均匀流和墨西哥湾流)为例，其流速剖面与来流方向对张力变化量的影响的关系如图4所示。由于海洋浮式结构的一阶波浪运动，ΔTi(t)绕着其平衡点对应的变化值上下变化，其中，为在平衡点处锚链张力；
(2)立管顶端和低端端角在海流下的变化量与流速剖面有关：对于不同的轴向拉力和流速剖面，立管端角是不同的；在没有海流的情况下，对于给定的顶端拉力，立管的顶端角和底端角为αj0和βj0；保持顶端拉力，在有海流的状态下，立管的顶端端角和低端端角变为αj(t)和βj(t)；因此立管顶端和底端变化量为Δαj(t)＝αj(t)-αi0和Δβj(t)＝βj(t)-βi0，其正比于流速(图6)。由于海洋浮式结构的一阶波浪运动，αi(t)和βi(t)绕着其平衡点对应的变化值和上下变化，其中，和为在平衡点处锚链张力；
(3)锚链张力和立管端角变化量在一段时间内的平均值为其在平衡点的对应值，在该段时间内进行n次采样，即 在相对稳定的环境载荷下，海洋浮式结构绕着平衡点做一阶波浪运动；位置的平均值为平衡点的位置，如图5所示。因此，围绕某一点运动所引起的锚链张力和立管端角的变换量ΔTi,Δαi,Δβ在时域表现为绕着其平均值上下变化；假设此绕着平衡点的变化是信号的噪声，锚链张力和立管端角在一段时间内的变化量的平均值为其在平衡点的变化量；
在不同的流速剖面下的各个锚链张力变化和立管端角的变化量是一一对应的；
在一点附近，锚链的刚度为一恒定值；也就是说对于流速剖面Vc,锚链张力变化和立管端角变化量 与其一一对应；
采集一定时间段内各个锚链顶端拉力和立管端角数据ΔT、Δα、Δβ，通过与已建立的锚链模型和立管模型、全部前验数据比较，估计出当前阶段对应的最佳流速剖面Vc。
本发明的有益效果：本方法的优点在于可以有效的利用已有数据，进行流速剖面估计。原有系统可通过软件升级实现响应的算法。本方法无需额外设备及投入，价格低廉，极大的提高了对水下环境情况的检测水平，有利于增强水下生产和操作的安全性。
附图说明
图1是本发明的实施方案图。
图2是结构示意图。
图3是均匀流和墨西哥湾流的流速剖面示意图。
图4是均匀流和墨西哥湾流的流速剖面及来流方向对锚链张力影响。
图5是均匀流和墨西哥湾流的纵荡、横荡和垂荡的流速剖面水面锚泊结构物的一阶波浪运动对于锚链张力的影响。
图6是流速剖面及立管顶端预张力大小对于立管顶端角的影响。
图7是本方法进行的流速剖面估计结果。
图中：1海平面；2流速剖面；3流速剖面插值点；4锚；5浮式结构物；6转塔；7导缆孔；8锚链张力传感器；9锚链；10立管张紧器(含立管预张力传感器)；11立管端角传感器；12立管；13海床。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法，步骤如下：
(1)锚链顶部固定端与浮式结构物通过其上的转塔连接，转塔安装于浮式结构物的导缆孔内。假设水深1000米，在海平面、水下200米、水下1000米处的流速为-0.8米/秒、-0.2米/秒、0.2米/秒，来流角度为9度，结构物处于的流速剖面为以上三点的线性过渡，如图7中的粗实线为假设的流速剖面。
(2)根据应用对象，预先根据锚链、立管、环境参数对锚链和立管进行建模。利用已建立的锚链模型，以及假设的流速剖面，进行计算，获得相应的锚链张力变化量。
利用已建立的立管模型，以及的流速剖面和顶端预张力，进行计算，获得相应的立管端角变化量。得到相应的一条锚链和一条立管的前验信息。根据锚链和立管的布置图，得到全部锚链和全部立管的前验信息(数据初始化)。
(3)实时采集锚链张力及立管端角数据，根据前验信息，得到最佳流速轮剖面，如图7中细实线所示。

Claims (1)

1.一种基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法，其特征在于，步骤如下：
该水下流速剖面估计方法所用的硬件系统包括用于测量锚链张力变化的锚链张力传感器(8)、用于测量立管端角的立管端角传感器(11)、立管预张力传感器(10)以及信号采集模块；
锚链张力传感器(8)、立管端角传感器(11)、立管预张力传感器(10)实时测量锚链张力、立管端角及立管顶端预张力数据，并通过信号采集模块采集，即为锚链和立管对应的前验信息，利用最小平方差估计，得到最佳流速剖面估计；
其中，根据锚链、立管、环境参数对锚链和立管分别建模；利用已建立的锚链模型和假定的流速剖面，计算锚链张力变化量；利用已建立的立管模型，根据不同的流速剖面和立管顶端预张力，计算并获得相应的立管端角变化量；综上，得到一条锚链和一条立管对应的单一前验数据；根据锚链和立管的布置图，得到全部锚链和全部立管对应的全部前验信息；
海洋浮式结构设有N根锚链固定，锚链经过导缆孔固定在转塔，锚链编号为i＝1…N；M根刚性立管从海底延伸到海洋浮式结构，在每根立管顶端均配置一个张紧器用于调节立管轴向拉力,立管标号为j＝1…M；锚链和立管的结构相关属性和参数，锚链和立管底端固定点位置为已知值；锚链张力Ti和立管顶端端角、底端端角αj,βj为可测量值；由于一阶波浪运动，Ti,αj,βj将随着海洋浮式结构的运动而发生变化，故其不是稳定值；
(1)锚链张力在海流下的变化量与流速剖面有关：在没有浪和流的条件下，锚链提供的张力为Ti0；当锚链受到水流作用时，锚链的张力发生变化，变为Ti(t)，变化量ΔTi(t)＝Ti(t)-Ti0；对于不同的流速剖面，锚链张力变化量也不同；对于同样的流速剖面和不同的来流角度，锚链的张力变化量也不同；由于海洋浮式结构的一阶波浪运动，ΔTi(t)绕着其平衡点对应的变化值上下变化，其中，为在平衡点处锚链张力；
(2)立管顶端和低端端角在海流下的变化量与流速剖面有关：对于不同的轴向拉力和流速剖面，立管端角是不同的；在没有海流的情况下，对于给定的顶端拉力，立管的顶端角和底端角为αj0和βj0；保持顶端拉力，在有海流的状态下，立管的顶端端角和低端端角变为αj(t)和βj(t)；因此立管顶端和底端变化量为Δαj(t)＝αj(t)-αi0和Δβj(t)＝βj(t)-βi0，其正比于流速；由于海洋浮式结构的一阶波浪运动，αi(t)和βi(t)绕着其平衡点对应的变化值和上下变化，其中，和为在平衡点处锚链张力；
(3)锚链张力和立管端角变化量在一段时间内的平均值为其在平衡点的对应值，在该段时间内进行n次采样，即在相对稳定的环境载荷下，海洋浮式结构绕着平衡点做一阶波浪运动；位置的平均值为平衡点的位置；因此，围绕某一点运动所引起的锚链张力和立管端角的变换量ΔTi,Δαi,Δβ在时域表现为绕着其平均值上下变化；假设此绕着平衡点的变化是信号的噪声，锚链张力和立管端角在一段时间内的变化量的平均值为其在平衡点的变化量；
在不同的流速剖面下的各个锚链张力变化和立管端角的变化量是一一对应的；
在一点附近，锚链的刚度为一恒定值；也就是说对于流速剖面Vc,锚链张力变化和立管端角变化量 与其一一对应；
采集一定时间段内各个锚链顶端拉力和立管端角数据ΔT、Δα、Δβ，通过与已建立的锚链模型和立管模型、全部前验数据比较，估计出当前阶段对应的最佳流速剖面Vc。
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