圆柱形浮力筒自由涡激运动的试验研究

随着海洋工程的不断发展，各种海工结构上广泛的采用了浮力筒，在脱落漩涡的作用下，浮力筒会有涡激运动的现象出现。浮力筒模型类似于一垂向单点系泊的圆柱体系统，其涡激运动是钟摆式、反相式或平移式运动和旋转运动的一种耦合运动，这也是和圆柱体涡激振动现象最大的不同之处。由于浮力筒在流体载荷下的受力、运动规律及机理等还并不十分明确，因此有必要开展其模型试验研究。在本次研究中，拟开展浮力筒的自由涡激运动试验研究，重点分析其涡激运动规律和机理，影响其做钟摆式、反相式或平移式运动的参数及其影响规律，在此基础上，建立含变参数的流体力分析模型，研究变参数的变化规律，最终对浮力筒的涡激运动进行模型预报。

在海洋工程领域，对立管和海底管道等圆柱状结构的涡激振动现象及机理的研究正日趋完善，但对近年来才刚发现的Spar、TLP和浮力筒等结构的涡激运动现象研究还较少。涡激运动会增加锚链和立管的疲劳破坏，缩短总体疲劳寿命。正确认识和估计涡激运动特性，对于锚泊系统和立管设计来讲非常重要，对保证海洋结构物的经济效益和服役期间的安全运行有重要意义。.本文针对浮力筒的涡激运动现象进行了模型试验研究，并提出了一种具有工程实际意义的半经验模型来预报浮力筒涡激运动和低质量比刚性圆柱体二维双自由度涡激振动响应。论文的主要内容和研究成果包括：. (1)开展浮力筒涡激运动模型试验研究，制作三个不同尺寸浮力筒模型，通过拖曳试验，测量各工况不同来流速度下浮力筒六自由度运动。试验中得到了明显的“8”字形运动轨迹，顺流向振动频率为横流向振动频率的2倍，并发现了顺流向振动频率的“多频”现象。绘制了无量纲运动均方根和振动频率随约化速度的变化曲线。.(2) 通过布拉修斯定理推导出存在点涡的理想流体中圆柱的所受的水动力表达式，引入范德波尔方程来描述近壁点涡的强度，建立了能够预报结构双自由度涡激运动响应的半经验模型，并讨论了模型中经验性参数的确定方法。.(3)使用涡强尾流振子模型对浮力筒的涡激运动和二维刚性圆柱双向涡激振动进行了数值分析。得到的结果成功地再现了浮力筒的涡激运动特性和圆柱体的双向涡振动特性，如横向频率锁定区、顺流向初始振幅峰值和锁定区振幅峰值、运动相位角以及“8”字形运动轨迹等，预报结果在定量上与实验结果吻合较好。.(4)利用本文模型和已有的实验数据分别讨论了质量比和阻尼比对结构振幅响应的影响规律。.总之，本文通过模型试验对均匀来流中的浮力筒涡激运动现象进行了多方面的研究，并提出了能够预报低质量比刚性圆柱体涡激运动和刚性圆柱体二维双自由度涡激振动响应的半经验型模型。为进一步对立管浮力筒进行涡激运动研究提供了有益的参考。