南海张力腿平台涡激运动响应研究

董晓曼， 蔡元浪， 李俊汲， 宋安科

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

南海张力腿平台涡激运动响应研究

董晓曼， 蔡元浪， 李俊汲， 宋安科

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

张力腿平台(TLP)是一种深吃水的立柱式平台，南海流速特征可诱发其较大的涡激运动，影响立管和张力腿系统的设计。从南海张力腿平台的前端设计项目出发，对涡激运动产生机理、关键特性进行论述。同时，结合拖曳实验，发现TLP平台在与来流垂直的方向上会发生的最大涡激运动响应，且存在锁定区间。研究工作对张力腿平台的工程设计具有借鉴意义。

张力腿平台；涡激运动；模型试验

0 引言

我国南海蕴藏着丰富的油气资源，发展适合南海深水油气开发的平台结构成为近年来的研究热点。张力腿平台(tension leg platform, TLP)由于具备适用水深范围广(300 m～1 500 m)、耐波性能优良、可干式采油等优点，在国外得到了广泛的应用。近两年，国内对张力腿平台的研究逐渐从科研走向生产，未来几年，极有可能采用张力腿平台进行南海油气的开发。

涡激振动(vortex-induced vibrations, VIV)是指在一定速度的来流中，流场会在物体背面产生交替泻涡进而导致脉动压力，引起结构的振动。TLP平台属于深吃水柱稳式平台，根据涡激振动的原理，这种结构形式在流场中也会产生类似的漩涡脱落现象。但另一方面，由于TLP整体结构的刚性特性，以及作为海洋平台特有的漂浮、锚泊和水动力性能，又使它在漩涡脱落的作用下显示出与海洋立管等柔性体不同的运动特征，为了区别于一般的涡激振动，将TLP平台的这种现象称为涡激运动[1]。南海1 000年一遇表层流速将近3 m/s，约化速度可达12 m/s，经验表明，浮式平台发生大幅值涡激运动的约化速度约7 m/s，因此南海具备诱发平台涡激运动的条件。

海洋工程范围内，研究比较广泛的涡激现象是海洋平台立管和海底管线等大细长比柔性结构物的涡激振动。涡激运动现象最早发现并引起广泛关注起因于Spar平台。在墨西哥湾环流和飓风流的作用下，Spar 平台会发生大幅度的涡激运动[2～5]，直接影响系泊和立管系统的设计。对于深吃水的半潜式平台，由于其立柱支撑的特征，也可能发生比较严重的涡激运动现象，TLP平台在水平面内的运动与半潜式平台相似，吃水可达30 m以上，也容易受到涡激运动的影响。与传统型Spar平台的单桩式结构不同，张力腿平台由于多立柱之间的流动分离和剪切层干扰效应，结构受到的流体力与相关频率具有强烈的非线性特性。因此，多体的存在导致流场结构与受力特性变得更加复杂并且与单体结构有明显区别[5]。由于国内并没有一座TLP平台在役，因此，对TLP平台涡激运动现象的研究处于空白状态。同时，TLP由于其多立柱的特性，运动特性也与Spar不同，平台主体上通常不设置抑制装置，这也使合理评估平台的涡激运动响应显得极为重要。

1 涡激运动的影响因素

1.1 涡激运动机理

水的粘性引起边界层分离并在TLP立柱主体结构后方产生周期性的漩涡脱落，漩涡脱落使主体后方压力降低，产生拖曳载荷导致结构产生顺流向运动。同时，由于漩涡脱落是在主体两侧交替进行，产生了垂直于流向的周期性升力，这种周期性的激励作用导致了平台垂直流向涡激运动的发生，这是一种十分典型的流固耦合问题。

TLP的系泊系统允许平台做水平面内的位移，面外的运动由Tendon限制，即横荡和纵荡是涡激运动的主导运动，同时由于附属结构的存在，平台可能存在一定艏摇运动。涡激运动研究中通常设定平台纵荡方向与来流方向一致，而横荡方向为产生横向涡激运动的主要方向。在这种方向架构内，平台的横荡即垂直流向的运动以及纵荡即顺流向的运动，是涡激运动研究中应关注的主要问题。特别是横荡运动，一般情况下，漩涡脱落在横向所引起的运动幅值要比顺流向大，并且横向运动容易在一定条件下发生共振响应，因此，横向运动是涡激运动研究中的焦点问题。

1.2 涡激运动基本参数

(1) 雷诺数Re是描述粘性流体运动的最基本参数，其他无量纲的物理量一般都依赖于雷诺数。他是惯性力与粘性力的比值，具体公式为

式中：U 、L 分别为流体的特征速度和结构物的特征长度，对于均匀来流作用下的圆柱形结构物，U 取来流速度， L 取圆柱体的直径 D；ν为运动粘性系数；μ为动力粘性系数，二者关系为

Re 数是判断粘性流体流动状态的重要依据。若 Re 数较小，则粘性力占主导地位，流体易保持原来的层流状态；若 Re 数较大，则惯性力占主导地位，流体易打破原来的状态而呈现湍流状态。同时，Re 数对圆柱绕流尾流区涡脱落模式、Karman 涡街发生的周期等都有重要影响。

(2) 斯特罗哈数 St 的物理意义为局部惯性力与变位惯性力的比值，是反映流体非定常运动影响的参数，定义为

在圆柱绕流和涡激运动的相关问题中，可用 St 数来描述在速度为U 的均匀来流中，直径为 D 的静止柱体的泻涡频率fSt，二者关系为：

斯特罗哈数St可将边界层分离以及流动的不稳定性这些微观、随机的特性与相对稳定的泻涡频率联系在一起，但是由于涡脱频率取决于雷诺数 Re，所以，此时 St 是 Re的函数，即St =f(Re) ，目前这一关系只能用实验方法来求得。

(3) 折合速度(约化速度)UR，即速度比，定义为

式中：U代表来流速度；Tn代表系统的固有周期；D代表结构物的特征直径。

(4) 研究柱体的涡激运动特性，最大幅值和标称幅值是主要考察指标。定义为

式中：max(r(t))和min(r(t))分别代表观测点的最大位移和最小位移；δ(r(t))为位移的标准差。

2 水池模型实验

目前工程界对涡激运动现象的研究主要包括数值模拟、模型实验和工程实测三个方面。

(1) 数值模拟。计算流体力学的不断发展，使得涡激运动的模拟成为可能。数值模拟有着不受场地和时间限制，可进行大尺度甚至原型的模拟，节省时间和费用的优点。但涡激运动的理论研究需要对漩涡脱落现象进行模拟，由于浮式结构本身和流场的复杂性，目前的计算流体力学在精度和时间上并不能完全满足工程要求。

(2) 水池拖曳实验。通过对不同来流方向、不同约化速度的拖曳实验，可以对平台涡激运动响应幅值、锁定区间等现象进行直观观测，所得结果可用于工程设计。但模型实验同样存在着无法保证粘性相似，阻尼的模拟及三维流场模拟方面的问题，需要经过其他手段保证实验结果的可靠性。

(3) 现场实测。研究涡激运动现场的另外一种方法，可有效地避免尺度效应的影响，但实际的现场环境复杂，平台的吃水、系泊系统状态、海生物的生长情况等都对涡激运动响应有影响，得到实测数据后需要进行大量的分析工作。

模型试验辅以数值模拟和海上实测仍是工程界研究涡激运动的常用方法。

2.1 实验设置

为评估平台在不同流速和流向时的涡激运动，得到平台的VIM设计曲线，在中船工业集团第708研究所大型拖曳水池中进行静水拖曳实验，拖曳水池长280 m，宽10.0 m，水深5.0 m，缩尺比为1:50。

拖曳模型中不包括张力腿和立管，在模型实验前这部分结构对系统刚度和阻尼的贡献需要选择等效形式计入。此次实验中选用6个气浮轴承模拟tendon和立管垂向张力，水平恢复力通过等效弹簧系统模拟。实验中来流方向的定义如图1所示，图中的1～6代表6个空气轴承的位置。使用空气轴承的优点在于保证平台达到设计吃水时不引入额外阻尼。由于涡激运动本质上是系统的共振响应，实验系统的固有周期和阻尼系数应仔细确认以保证达到设计要求。同时为准确评估平台涡激运动的影响，下浮体上的附属结构，包括电缆和脐带缆的护管、护舷、阳极等会对流场造成影响的附属构件，需要在模型上体现。

图1 环境方向定义

2.2 平台尺度

以南海某油田为目标，该油田计划采用“TLP+FPSO”的模式进行开发，油田水深330 m，TLP采用传统形式，主尺度见表1。

表1 TLP的主尺度

2.3 实验工况

为得到TLP平台完整的涡激运动响应，达到工程应用的目的，实验结合南海实际海况，将实验工况分为6类，见表2。实验中共选取0°～337.5°间隔22.5°为一个来流角度，共24个，UR= 3～12共10个折合速度进行拖曳实验。首先进行系统特性测试，保证实验模拟的准确性。接下来筛选出相应最大的角度进行不同折合速度实验，最终通过重复实验得到最大的涡激运动响应。

表2 实验工况

2.4 实验结果

(1) 固有周期和阻尼

表3是波浪水池实验与VIM拖曳实验的固有周期和阻尼系数对比表，在波浪水池实验中包括了tendon和立管模型。从表3中可以看出两类实验的结果非常接近。

表3 拖曳实验的固有周期和阻尼系数

(2) 垂直流向最大振幅和标称振幅

图2为垂直流向涡激运动幅值随折合速度的变化曲线，图3为垂直流向最大幅值随来流角度的变化曲线。图4为垂直流向标称涡激运动幅值随折合速度的变化曲线。从图2～图4中可以看出，平台在UR为6～8时出现了明显的锁定现象，最大的横向振幅出现在90°方向，达0.5 D。最大的标称振幅同样发生在45°方向，振幅达0.42 D。

图2 垂直流向幅值随UR变化

图3 最大幅值随角度变化

图4 标称幅值随角度变化

(3) 顺流向最大振幅和标称振幅

图5为顺流向涡激运动幅值随折合速度的变化曲线，图6为顺流向最大幅值随来流角度的变化曲线，图7为顺流向涡激运动幅值随折合速度的变化曲线。从图5中可以看出，流向最大A/D在UR为3.5～6时线性增加，幅值可达0.1，之后随着UR增加幅值保持不变。从图6、图7中可以看出，最大的A/D均发生在90°方向。

图5 顺流向幅值随UR变化

图6 最大幅值随角度变化

图7 标称幅值随角度变化

3 结语

通过对张力腿平台涡激运动的机理性研究和模型试验得到以下结论：(1) 对于圆形立柱，立柱上的附属构件对涡激运动响应有较大影响，涡激运动响应并没有因为结构的对称而出现对称性。在进行涡激运动响应研究时，准确地模拟水面以下的附属构件十分重要。

(2) 在工程项目的涡激运动响应研究中，横荡居于主导地位，除考虑横荡和纵荡响应外，也要关注艏摇对涡激运动结果的影响。

(3) 南海五年一遇到十年一遇的表层流速集中在1.7 m/s～2.0 m/s，对应折合速度为6～8，刚好处于该项目TLP的锁定区间，可能诱发较大的横向运动，影响张力腿和立管系统的强度和疲劳设计。但也应注意到，拖曳实验模拟的理想环境在实际海况下不可能出现，实际的涡激运动响应还受到波浪的影响。

(4) 由于模型实验中无法保证粘性相似，实验处于亚临界区内而实尺度平台处于超临界区内，模型与实型间漩涡脱落模式的区别及其对涡激运动响应的影响需要进一步研究。

[1] 杨颖, 杨建民, 杨晨俊. Spar平台涡激运动关键特性研究进展[J]. 中国海洋平台, 2008, 23(3): 1-10.

[2] 高云, 宗智, 于馨. 均匀来流中Spar平台涡激运动响应研究[J]. 中国科学, 2011, 41(2): 132-139.

[3] 张蕙, 杨建民,肖龙飞,等. 均匀流中深水系泊Truss Spar平台涡激运动试验研究[J]. 海洋工程, 2011, 29(4): 14-20.

[4] 白治宁, 肖龙飞, 程正顺, 等. 深吃水半潜式平台涡激运动响应模型实验研究[J]. 船舶力学, 2014, 18(4): 377-384.

[5] 刘为民, 谷家扬, 陶延武, 等. 低质量比圆形四立柱涡激运动特性研究[J]. 振动与冲击, 2015, 34(19): 175-180.

Study on TLP Vortex Induced Motion at South China Sea

DONG Xiao-man, CAI Yuan-lang, LI Jun-ji, SONG An-ke

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

The tension leg platform(TLP) with its deep draft column piercing into the water, make it more prone to vortex induced motion(VIM), which will affect the tendon and riser design to a great extent. The platform may subject to VIM at certain flow considering current characteristic at South China Sea. In this paper, the vertex induced mechanism, and the substaintial performances are briefly discussed, combined with model test results during front end engineering design (FEED), it is found that when current direction is normal to the pontoon with certain speed, a clearly VIM and lock-in phenomenon appeared. The research work in this paper could be seen as reference significance for other projects.

tension leg platform； vortex induced motion； model test

1001-4500(2016)06-0084-07

2016-05-06

工信部联装[2014]503号，“500米水深油田生产装备TLP自主研发”。

董晓曼(1982-)，女，工程师。

P75

A