一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置

摘要

本发明涉及一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置，包括弹性气囊、开缝管；弹性气囊呈围绕平台立柱整圈的封闭型结构，内部充满气体，具有自动恢复原状的功能；开缝管上端与弹性气囊连通，下端伸入水下；开缝管的侧面水下部分开有狭缝。本发明利用波浪力产生合成射流，无能耗，并向流场注入了有利干扰，合成射流与主流剪切层强烈耦合，抑制了平台的涡激运动。

权利要求

1.一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：

利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置包括弹性气囊（1）、开缝管；

所述弹性气囊（1）呈围绕平台立柱整圈的封闭型结构，内部充满气体；

所述开缝管上端与弹性气囊（1）连通，下端伸入水下；所述开缝管的侧面水下部分开有狭缝（5）;开缝管下端和狭缝部位伸入水下，在大气压的作用下，开缝管内初始液面与外界水面等高；

当波浪抨击平台时，将首先压缩弹性气囊，其中气体加速运动并压缩开缝管中液体，最终向流场喷出射流；

当波浪回落时，弹性气囊自动回复至原本的体积，其中压强减小，流场中的水被吸入开缝管至一定高度；

如此循环往复，在开缝部位产生周期性的流体吹吸现象，形成合成射流；

弹性气囊与立柱之间设置导轨，导轨的固定部件固定在立柱表面，运动部件与弹性气囊（1）内侧固定连接；当进行新的科考作业时，根据不同海域环境利用导轨使弹性气囊（1）绕立柱转动，快速调整开缝管的位置，保证其位于立柱绕流的分离点附近。

2.如权利要求1所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：所述导轨为钢珠滑轨（2），所述钢珠滑轨（2）由槽形轨道（201）、滚珠（202）和所述运动部件（203）组成，其中槽形轨道固定地安装在立柱表面，若干所述滚珠（202）卡进轨道沟槽内滑动，即可带动运动部件（203）在槽形轨道上移动。

3.如权利要求1所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：所述开缝管为开缝圆管（4）。

4.如权利要求1所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：所述弹性气囊（1）的侧面呈上大下小的楔形。

5.如权利要求1所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：所述弹性气囊（1）由弹性材料制成，受力压缩后能够自动恢复原状。

6.如权利要求5所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：所述弹性气囊（1）安装在立柱吃水上方。

7.如权利要求2所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：每个立柱表面上下方向共安装三条带动弹性气囊转动的所述钢珠滑轨（2）。

8.如权利要求1所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，其特征在于：所述弹性气囊（1）通过阀门（3）与开缝管相连；所述开缝管分别位于平台立柱两侧流动分离点附近。

说明书

一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置，属于海洋工程技术领域。

背景技术

[0002] 海洋平台是当今我国深海油气资源开发的主力装备，然而在一定速度海流的作用下，平台立柱后方会产生周期性的漩涡交替脱落，激发沿流向的拖曳力和垂直于流向的升力，平台在此脉动载荷的作用下发生大幅度运动，称为涡激运动。工程实测及研究表明，涡激运动会影响系泊系统和立管的疲劳寿命，增加海洋结构物的总阻尼，严重情况下甚至会导致海洋平台遭到破坏而引发事故，如墨西哥湾张力腿平台“Typhoon”倾覆事件。

[0003] 涡激运动现象主要源于立柱后方周期性泄涡产生的脉动流体力。因此，抑制平台的涡激运动响应最根本的方法是抑制立柱的漩涡脱落，减小脉动流体力。抑制漩涡脱落的策略根据是否向流场中输入能量可分为主动控制和被动控制：主动控制是向流场注入合适的扰动模式，以与系统内在模式相耦合达到控制之目的，如柱体旋转振荡、抽吸喷吹射流、交互反馈式控制等；被动控制主要是通过几何型面的优化或增加附体等方式达到控制流场的目的。本发明提出了一种利用波浪力产生合成射流进而主动控制平台的尾流场并最终实现涡激运动抑制的装置及方法。

[0004] 对比专利文件列表：

[0005] 1、一种海洋立管涡激振动抑制装置及抑制方法，公开号CN108194035A，公开日2018年6月22日。

[0006] 2、一种利用波浪起伏压差排吸海水的抑振装置及方法，公开号CN108590540A，公开日2018年9月28日。

发明内容

[0007] 本发明需要解决的技术问题是：现有技术采用“被动控制”的策略抑制漩涡脱落，通过优化立柱几何形状或安装附体的方式来抑制海洋平台的涡激运动，只针对特定海流环境有效，工作情况受限，当实际工况偏离设计状态时，抑制效果不佳；现有技术采用“主动控制”的策略抑制漩涡脱落，仅停留在理论研究的阶段，而且需采用额外的动力源，实施难度大，难以投入实际运用。

[0008] 本发明采取以下技术方案：

[0009] 一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置，包括弹性气囊1、开缝管；所述弹性气囊1呈围绕平台立柱整圈的封闭型结构，内部充满气体；所述开缝管与上端与弹性气囊1连通，下端伸入水下；所述开缝管的侧面水下部分开有狭缝5。

[0010] 优选的，弹性气囊1与立柱之间设置导轨，所述导轨的固定部件固定在立柱表面，运动部件与弹性气囊1内侧固定连接，即可实现弹性气囊1绕立柱的转动。

[0011] 进一步的，所述导轨为钢珠滑轨2，所述钢珠滑轨2由槽形轨道201、滚珠202和所述运动部件203组成，其中槽形轨道固定地安装在立柱表面，若干所述滚珠202卡进轨道沟槽内滑动，即可带动运动部件203在槽形轨道上移动。

[0012] 优选的，所述开缝管为开缝圆管4。

[0013] 优选的，所述弹性气囊1的侧面呈上大下小的楔形。

[0014] 进一步的，所述弹性气囊1由弹性材料制成，受力压缩后能够自动恢复原状。

[0015] 进一步的，所述弹性气囊1安装在立柱吃水上方。

[0016] 进一步的，每个立柱表面上下方向共安装三条带动弹性气囊转动的所述钢珠滑轨2。

[0017] 优选的，所述弹性气囊1通过阀门3与开缝管相连。

[0018] 优选的，所述开缝管分别位于平台立柱两侧流动分离点附近。

[0019] 一种利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的方法，采用上述任意一项所述的利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置，开缝管下端和狭缝部位伸入水下，在大气压的作用下，开缝管内初始液面与外界水面等高；当波浪抨击平台时，将首先压缩弹性气囊，其中气体加速运动并压缩开缝管中液体，最终向流场喷出射流；当波浪回落时，弹性气囊自动回复至原本的体积，其中压强减小，流场中的水被吸入开缝管至一定高度；如此循环往复，在开缝部位产生周期性的流体吹吸现象，形成合成射流。

[0020] 本发明的有益效果在于：

[0021] 1)利用波浪力产生合成射流，无能耗，并向流场注入了有利干扰，合成射流与主流剪切层强烈耦合，抑制了平台的涡激运动；

[0022] 2)楔形气囊最大程度吸收了波浪力，它的存在减轻了波浪载荷对海洋平台的破坏；极端海况下还能在一定程度上减小波浪砰击、抑制波浪爬升；

[0023] 3)导轨实现了合成射流发生位置随不同来流方向的快速调节，保证其始终对流场产生有益干扰，扩大了合成射流发生装置的工作范围。

附图说明

[0024] 图1是本发明利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置产生合成射流的原理示意图。图中只绘制了立柱一侧的开缝圆管，实际上可布置多个。

[0025] 图2是本发明利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置安装在海洋平台上的整体示意图。

[0026] 图3是本发明利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置与立柱安装固定的立体图。

[0027] 图4是本发明利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置与立柱安装固定的主视图。

[0028] 图5是本发明利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置与立柱安装固定的右视图。

[0029] 图6是是本发明利用波浪力抑制海洋平台涡激运动的装置与立柱安装固定的俯视图。

[0030] 图7是弹性气囊与钢珠滑轨组合的剖视图。

[0031] 图8是钢珠滑轨内部一段的示意图。

[0032] 图中，1‑弹性气囊、2‑钢珠滑轨、3‑阀门、4‑开缝圆管、5‑狭缝、6‑海洋平台的浮体；201‑槽形轨道、202‑滚珠、203‑运动部件。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

[0034] 海洋平台涡激运动抑制装置主要由弹性气囊1、钢珠滑轨2和开缝圆管4组成。

[0035] 弹性气囊1是围绕平台立柱整圈的封闭型结构，侧面呈上大下小的楔形，内部充满了气体；它由弹性材料制成，受力压缩后具有自动回复功能；安装在立柱吃水上方。

[0036] 钢珠滑轨2由槽形轨道201、滚珠202和运动部件203组成。其中槽形轨道201安装在立柱表面，若干滚珠202卡进轨道沟槽内滑动，即可带动运动部件在槽形轨道201上移动。弹性气囊1与运动部件203固连，即可实现弹性气囊1的转动。每个立柱表面上下方向共安装三条槽形轨道201带动弹性气囊1转动。

[0037] 弹性气囊1通过阀门3与开缝圆管4相连，圆管4伸入水下，并在圆管4侧面水下部分开有狭缝5；带狭缝5的圆管4分别位于平台立柱两侧流动分离点附近，因为现有技术研究表明在该位置向流场注入合成射流对涡激运动的抑制效果较好。

[0038] 由于圆管4下端和狭缝5伸入水下，在大气压的作用下，管道内初始液面与外界水面等高。当波浪抨击平台时，将首先压缩弹性气囊1，其中气体加速运动并压缩圆管中液体，最终向流场喷出射流；当波浪回落时，弹性气囊1自动回复至原本的体积，其中压强减小，流场中的水被吸入圆管至一定高度。如此循环往复，产生周期性的流体吹吸现象，形成合成射流，如图1所示。合成射流向尾流场中注入了动量，它与立柱边界层强烈耦合，减弱了立柱后方漩涡脱落强度，减小了立柱所受脉动流体载荷，进而抑制了海洋平台的涡激运动。

[0039] 安装本发明装置时，首先给平台某个立柱固定地安装三条环绕立柱整圈的钢珠滑轨2；然后将弹性气囊1固连在滑轨2的运动部件203上，运动部件203即可带动气囊1转动；两个阀门3分别安装在气囊1的下部；最后将带有狭缝5的两根圆管4分别与阀门3出口连接。接下来，另外三个立柱按照同样的方式进行安装。

[0040] 安装完毕后，将海洋平台运送至某深海域作业，放置平台时根据海流方向利用滑轨2调节八根圆管4的位置，保证其置于分离点附近。初始状态时，阀门3关闭，由于狭缝的存在，同时在大气压的作用下，八根圆管4内液面与外界水面等高。一段时间后，打开阀门3，此时波浪抨击平台，将首先压缩气囊1，其中气体加速运动并压缩圆管4中液体，最终向流场喷出射流；当波浪回落时，气囊1自动回复至原本的体积，其中压强减小，流场中的水被吸入圆管4至一定高度。如此循环往复，产生周期性交替吹吸主流的合成射流。合成射流向尾流场中注入了动量，它与立柱剪切层强烈耦合，减弱了立柱后方的漩涡脱落强度，减小了立柱所受脉动流体载荷，从而抑制了海洋平台的涡激运动。

[0041] 当海洋平台前往下一深海域进行科考作业时，无需重新安装整套装置，只需根据不同海域环境利用滑轨2快速调整圆管4的位置，保证其位于立柱分离点附近。

[0042] 本实施例主要有以下三条创新之处：

[0043] 创新点1：利用波浪力产生合成射流，持续地抑制涡激运动。

[0044] 利用周期性的波浪力压缩可自动回复的弹性气囊产生合成射流：当波浪力击打气囊时，气囊被压缩使得其中气体加速运动，进而向圆管内液体施加压力，最终由狭缝向流场中喷出射流；当波浪回落时，弹性气囊自动回复至原有体积，其中压强减小，流场中的水由狭缝被吸入圆管。如此循环往复，形成了周期性的吹吸交替的合成射流，它与立柱边界层强烈耦合，减弱了立柱后方漩涡脱落强度，减小了立柱所受的流体力，从而持续地产生抑制效果。

[0045] 创新点2：上大下小的楔形气囊的结构设计以最大程度地吸收波浪力。

[0046] 波浪一般以一定角度涌向平台，楔形结构的设计使得波浪尽可能垂直压缩气囊，这样能最大程度地吸收波浪力，产生较大动量的合成射流；同时，呈圆环形状的气囊能够吸收来自各个方向的波浪，能最大效率地利用波浪力，并在一定程度上减小波浪砰击载荷、抑制波浪爬升。

[0047] 创新点3：工作范围广、抑制效果好的合成射流发生器。

[0048] 圆柱绕流的分离点位置与来流方向有关，研究表明，在流动分离点附近注入合成射流，其将与主流剪切层强烈耦合，能有效降低立柱后方的漩涡脱落强度。本发明利用钢珠滑轨实现了合成射流发生器的转动，当海洋平台前往下一深海域进行科考时，本装置可以根据来流方向快速调节射流发生位置，始终向流场注入有利干扰。

[0049] 以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。