半潜式平台涡激运动智能预报模型与主动抑制研究

As the main equipment used for oil and gas exploitation in South China Sea, the semi-submersible is susceptible to the oscillating hydrodynamic force that arises from alternating eddies or vortices shedding downstream from one side of the structure to the other, thereby causing vortex-induced motions (VIM). This phenomenon poses a threat to safe and reliable operations and severely affect the fatigue lives of risers and mooring systems. Literatures in recent years have shown an increasing interest in the VIM behavior of the semi-submersible. The present project aims to propose an intelligent predicting model and an active suppression technique of VIM of a semi-submersible. The research content includes the following issues: the parametric analysis on VIM, the intelligent predicting model of VIM, the mechanism and suppressing of vortex shedding and the feedback wake control of a square column, the conceptual design of an active suppression technique of VIM and its performance. Through the research, the following objectives are expected: propose an intelligent predicting model of VIM based on artificial neural network; reveal the characteristics and mechanism of the vortex shedding of a square column, and develop a feedback wake control method to suppress the vortex shedding of the square column; design an active suppression technique of VIM and take the effect analysis. The research will significantly improve the understanding on the issues of VIM and its parametric study, and provide an effective resolution and a scientific basis for predicting and suppressing VIM of the semi-submersible to improve the safety performance.

半潜式平台是我国南海开发主力装备，在海流作用下立柱后方产生周期性漩涡交替脱落，使平台受到脉动流体力而发生涡激运动现象，不仅影响其正常作业及系泊系统和立管的疲劳寿命，甚至会引发事故。本课题创新提出半潜式平台涡激运动响应预报模型，并开展抑制方案研究，内容包括：半潜式平台涡激运动响应参数敏感性，半潜式平台涡激运动智能预报模型，方形立柱涡泄机理与尾流反馈控制，半潜式平台涡激运动抑制方案与性能。通过研究，基于人工神经网络提出半潜式平台涡激运动智能预报模型，为平台立管和系泊系统设计提供参考；揭示方形立柱泄涡和减涡机理，提出尾流反馈控制方法，可显著减小立柱受到的平均阻力和脉动升力；提出半潜式平台涡激运动响应主动式抑制方案，可有效抑制涡激运动和改善水动力性能。研究成果将丰富半潜式平台涡激运动响应特性和参数敏感性的认知，为预报和抑制平台涡激运动响应提供解决方案和科学依据。

半潜式平台是我国南海开发主力装备，在海流作用下立柱后方产生周期性漩涡交替脱落，使平台受到脉动流体力而发生涡激运动现象，不仅影响其正常作业及系泊系统和立管的疲劳寿命，甚至会引发事故。本课题创新提出半潜式平台涡激运动响应预报模型，并开展抑制方案研究，内容包括：半潜式平台涡激运动响应参数敏感性，半潜式平台涡激运动智能预报模型，方形立柱涡泄机理与尾流反馈控制，半潜式平台涡激运动抑制方案与性能。取得重要结果如下：（1）设计表面狭缝与内部三角形空腔相连接的合成射流数值模型，建立基于分离涡模拟（DES）的平台涡激运动响应数值模拟方法和基于大涡模拟（LES）的合成射流特性数值模拟方法，通过模型实验验证。（2）建立基于BP神经网络的三立柱半潜式平台横向运动和首摇运动预报模型，模型预测结果与实际结果的趋势较吻合。（3）研制活塞式合成射流激励器，并开发基于合成射流的方形立柱扰流特性研究实验技术，验证了其有效性。（4）在亚临界雷诺数区域内，系统研究流向角、合成射流出口位置、动量系数和无量纲射流频率等关键参数对方柱扰流特性和平台涡激运动响应的影响规律，结果表明合成射流可以显著减小方柱所受脉动升力，进而抑制半潜式平台的涡激运动响应。在国内外学术刊物上发表标注基金资助的研究论文9篇，其中SCI收录4篇。培养博士生2名，硕士生3名。研究成果既可丰富大型海洋结构物流固耦合问题的理论内涵，也可指导实际半潜式平台的研发设计，具有重要的学术价值和应用前景。