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1、申请上海交通大学博士学位论文163 2 5 37S p a r 平台涡激运动关键特性研究专业：船舶与海洋结构物设计制造博士生：王颖导师：杨建民教授上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2 0 1 0 年5 月1 叭Y 删1 m 8 帆0 叭吣7 帆8 惴1 1 1 8 帆P h D D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oS h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t yR E S E A R C HO NT H EK E YC H A R A C T E R I S T I C SO FS P A RV
2、OR l T E X I N D U C E DM O T I O N SA u t h o r ：W a n gY i n gA d v i s o r ：P r o f Y a n gJ i a n - m i nS p e c i a l t y ：D e s i g na n dC o n s t r u c t i o no fN a v a lA r c h i t e c t u r ea n dO c e a nS t m c m r eS c h o o lo fN a v a lA r c h i t e c t u r e ，O c e a na n dC i v i l
3、E n g i n e e r i nS h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t yM a y2 1 s t ，2 0 1 0上海交通大学上海父逋大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密囱。( 请在以上方框内打“4 “ )学位论文作者签名：毒
4、辱致日期：w ，口年 月爿日指导教师躲扔建氏日期：硼，。年f 月吖日上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：o 辱kE t 簸I ：卅。年k 只硝E t上海交通大学学位论文答辩决议书所在姓名王颖学号0 0 6 0 1 0 2 0 0 8船舶与海洋结构物设计制造。 学科答辩答辩指导教师杨建民2 0 1 0 5 - 2
5、 l上海交通人学闵i 于授木羔船建人楼B 3 0 1日期地点论文题目S p a r 平台涡激运动笑键特性研究， 投票表决结聚：，r C( 同意禁数实劁委员数腑剑委员数)答辩结论：纽过口朱通过评语和决议：S p a r 平台涡激运动研究趋目前海洋l ：氍领域的前沿热点课题也足我闽南海油气开采战略中的嚷婴 课题。论文以S p a r 平台涡激运动的) 乏键特性为主要研究内容，通过理论分折、数值计算和模剩试验相结 合的疗法，从涡激逛动的发生机理、响应特征、抑制方法以及波浪对涡激运动的影响儿个主要方面对其笑键特性进行了较为深入的研究，得鲻了较为系统的、其仃创新意义的留；论，为我豳深海油气歼采提 供r
6、棚关方面的参考依据和技术支持。论文首次在国内对S p a r 平台涡激运动进行了较为全两系统的理论分折和试验研究，对于S p a r 平台 涡激返动的机理分析希ll ：氍实际应 H 具有微好的参考价值。论文的主要创新性成粜有： l ，探索了系泊状态FS p a r 平台的椎线性特征对涡激运动豹影响，较为真实地反映了系泊系统在涡激运动过稃中的作刖与线性系泊处理方法栩比，准确地模拟J ，平台的系泊系统刚度随着位移的增加擎 管线性增加的趋势。 2 、分析了单柱式主体和多牲式主体的绕流及旋涡脱落、受力特征锋方f ：f l i 的区别与联系，从丽研究不同的主体矮舱形式对涡激迄动的影响。研究发现。多柱式主
7、体结构的引入对涡脱激励具有一定的消减作捌，有助_ 】：改善平台整体的潲激运动性能3 、通过对螺旋式减涡侧板周围流场的计算与模拟，较为深入地揭示了减涡侧扳作l | j 的机理，并对 复杂的多牲式主体平台进行了减涡装置的设计及优选研究。4 、通过对波流联合作朋卜- 的涡激运动进行水动力模璎斌验研究，分析了浪流联合作用对平台! i 呙激 运动响应的影响。论文l ：作表明，作者广泛阅溃J ，围内外相关文献，对该领域的主要研究动向订深入的理蜒。红本学科领域掌握丫啭实宽J “的毖础理论和系统深入的专业知识。具备很强的独矗：科研I ：作能力。论文理论分 析正确。计算结果备人鲑实验验证内，容术寓逻辑严密结论河
8、信。条理洒晰，文笔流畅延一篇优秀的博寸：论文。经答辩委员会投禁表决一致同意通过答辩，建议授予I ：学媾七学何。 建议推荐参加全国优秀博士论文的评选。名，k：彳涸馋，二乙，口年j 月7 日职务姓名职称单能貉名l主席李润堵教授卜海交通人学铂破， 答缪瞅辩委员廖世俊教授一I ：海交通人学委委员邹早建教授上海交通人学彩幢员 Z h委员离家镛研究员卜海船娴运输科学研究所嚆皇翔“成荡烈一员委员范余明研究员巾圈船舶I ：旺必闭公r 订7 0 8 所、，签委员 名委员 、秘体汤健勇助理研究员。j ：海交通人学了马缁上海交通大学博士学位论文S p a r 平台涡激运动关键特性研究摘要随着离岸深水工程技术的不断发
9、展，S p a r 平台在深海油气开采中得到了越来越广泛的应用。我国油气开采进军深海领域，亟待先进的海洋开发技术来支持，S p a r 平台这种深水和超深水海域中极具竞争力的平台类型，必将在不远的将来成为我国深海开发的重要工具。相对于其排水量来说，S p a r 平台水线面小，重心低，这使得S p a r 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S p a r 平台很快得到了业界的认可并进入繁荣发展的时代。但是与其它类型的海洋平台相比，其特殊的深吃水立柱式结构容易引起来流作用下结构后方的旋涡脱落，从丽导致涡激运动。所有的S p a r 平台，包括C l a s s i
10、 cS p a r ，T r u s sS p a r ，C e l lS p a r 等，在一定的海洋环境条件下都可能发生涡激运动。在S p a r 上工作的人员如果长期受到涡激运动的影响，很容易疲劳和影响健康；长时间持续的涡激运动可能引起立管损坏、锚泊系统疲劳、甚至平台停止作业，因此在立管及锚泊系统的强度和疲劳特性设计过程中，以及在平台安全性方面，都必须充分考虑到涡激运动的影响。S p a r 平台涡激运动研究是目前海洋工程学科的前沿课题，是我国南海油气开采战略中的重要课题，也是国际上方兴未艾的研究热点。本论文在国家8 6 3 计划的支持下，以S p a r 平台涡激运动的关键特性为主要研
11、究内容，通过理论分析、C F D 计算和模型试验相结合的方法，从涡激运动发生机理、关键特性、抑制方法等多方面寻找突破口，探索适用于S p a r 平台涡激运动预报和抑制的数值和试验方法，对S p a r 平台涡激运动现象进行系统深入的研究，在锁定现象、高R e 数下涡脱落特征、系泊系统的非线性特征、多柱式主体减涡机制、波流联合作用下的涡激运动研究等方面进行了新的探索。论文第一章介绍了S p a r 平台的诞生和发展过程、目前在国际范围内的应用及研究情况，并对三代主要S p a r 平台的总体结构、水动力特征进行了系统的总结和阐述，进而介绍了S p a r 平台涡激运动问题的概况，并分别从容易引
12、起涡激运动的海洋环境条件、涡激运动的原始激励及主导运动、影响因素和特征参数等方面对涡激运动现象的基本情况进行了阐述，总结归纳了目前国际上涡激运动研究相关进展、涡激运动研究及预报的主要方法，以及涡激运动研究的热点、难点、第1 页摘要目前研究中所存在的不足、面临的问题和目前研究发展的方向，最后介绍了本文研究工作的意义、主要研究内容和研究方法，并提出了论文的创新性。涡激运动现象涉及到流体力学中实际流体绕流物型时所产生的很多问题，如速度和压强分布、边界层分离现象、绕流阻力与升力等等。深入研究涡激运动现象的机理及本质特征，必须建立在流体力学基础理论之上。本文第二章就涡激运动问题所涉及的流体物理性质、流体
13、力学理论和数值计算方法进行了讨论，并总结分析了圆柱绕流问题的一些经典结论，为以后章节的数值计算和物理试验研究奠定了理论基础。同时，对国际上研究圆柱涡激振动的半经验模型法进行了一些介绍，并对其优缺点进行了分析。涡激运动之所以成为一种十分复杂的现象，首先归因于引起涡激运动的物理机制背后隐藏着复杂的流体力学机理。因此在进行实际S p a r 平台的涡激运动研究之前，对低质量比浮式柱体在来流中的泻涡情况、受力情况等重要特征进行相应的基础性研究是十分必要的，这有助于进一步深层次理解和掌握涡激运动现象背后的机理和本质。本文第三章主要从机理方面对研究涡激运动的流体激励、尾流流场、响应特征等进行了较为深入的探
14、索，采用直接模拟流体力的C F D 方法，结合模型试验，去除了海洋环境、平台具体结构、平台深水锚泊系统等外部复杂因素的影响，对低质量比、低长径比的较大尺度圆柱在均匀流中的绕流情况及涡激运动响应特征进行了模拟和研究。圆柱特征参数的确定以典型T r u s sS p a r 主尺度为参考，可视为T r u s sS p a r 主体硬舱部分的1 ：1 0 0 缩尺比模型。研究了固定圆柱绕流的边界层分离情况、涡的形成和脱落情况、尾流区流场结构情况，对作用在圆柱上的包括升力和拖曳力在内的流体力进行了测量、计算和分析，从而对旋涡脱落所引起的流体激励特征进行研究：研究了强迫运动幅值及频率对圆柱受力的影响，
15、研究流固耦合系统中结构物对流体的反作用机制，从根本性的涡脱激励入手，掌握引起涡激运动的流体动力特征；考虑涡激运动中的流固耦合效应，对流场和结构物相互作用的整个系统进行分析，研究了不同来流条件、不同系泊情况下圆柱的涡激运动情况，分析了锁定现象的发生机理和规律；研究了螺旋式侧板的减涡机理；特别地，在试验过程巾通过一组简单有效的流场可视化系统，对不同情况下圆柱周围的流场进行了观测，通过更直观、更有说服力的试验观测结果对数值模拟所得到的流场进行了验证，进一步加深了对涡激运动现象的认识和理解。第四章在通过简单浮式圆柱进行涡激运动机理性研究的基础上，对S p a r 平台的涡激运动进行了研究。与上一章研究
16、的简单圆柱不同，实际作业条件下的第页上海交通大学博士学位论文S p a r 平台在洋流中的涡激运动受到很多因素的影响，其中包括海洋环境条件因素、平台自身结构及附属物因素、深水锚泊系统特征等相关因素。本章以一种新形式的S p a r 平台作为研究对象，对该平台在没有安装减涡装置的情况下进行了涡激运动的预报，对其涡激运动响应特征进行了研究和分析。多柱桁架式S p a r平台( C e l l T r u s sS p a r ) 是一种新的S p a r 平台概念，该平台融合C l a s s i cS p a r 、T r u s sS p a r 以及C e l lS p a r 平台的设计特点，并且应用了优化的垂荡板设计，目标是使其在具有前面三代S p a r 平台良好的运动性能的基础上，进一步改善水动力性能、降低建造难度和成本。相对于C l a s s i cS p a r 、T r u s sS p a r 、C e l lS p a r 等平台形式，C e l l - T r u s sS p
