在高雷诺数下大尺度圆柱的涡激运动及其自锁机理研究

Vortex-induced motion (VIM) is the large-amplitude horizontal motion of the cylindrical part of Spar platform undergoing the periodic diffusion of vortices induced by the strong current. It's a special case of vortex-induced vibration (VIV) with higher Reynolds number, larger response amplitude and longer period of motion. The vortex-induced motion of Spar platform will increase the loads of its attached risers and mooring lines and accelerate their fatigue damage. This project will numerically study the VIM of a large cylinder, which is a simplified model of the underwater part of Spar platform. By considering the nonlinearity of body surface and the fluid-structure interaction, the evolution of the force and response of the large-scale cylinder and its wake form in high Reynolds number current will be analyzed to reveal the mechanism of VIM and Lock-in phenomenon. By considering the effect of the surface roughness on flow status of boundary layer, the position of vortex shedding point and the wake form, the numerical simulation and model test of the VIM of a rough cylinder will be performed to analyze the influence of different roughness on VIM. The study has significant theoretical value to the study of the large-scale model test of VIM in lower Reynolds number. This project will increase our knowledge on mechanism of VIM and Lock-in phenomenon of Spar platform and provide reference for deepwater Spar platform applications.

涡激运动(VIM)是指Spar平台的柱形主体在强流作用下引起周期性的漩涡脱落，从而产生大幅水平运动的现象，是涡激振动(VIV)的一个特例，其雷诺数更高，响应幅值更大，周期更长。Spar平台的涡激运动会增加立管和锚泊系统的载荷和运动加剧其疲劳损伤。本项目以Spar平台水下浮筒部分的大尺度圆柱的涡激运动为研究对象，以数值模拟为主要手段，考虑物面非线性和流固耦合作用，分析高雷诺数来流时大尺度圆柱涡激运动中圆柱的受力、运动响应及尾流形式的演变规律，揭示涡激运动及其自锁现象的形成机理。开展表面粗糙圆柱涡激运动的数值模拟和模型试验，考虑表面粗糙度对边界层流态、漩涡脱落点位置和尾流形式的影响，分析不同表面粗糙度对涡激运动的改变程度。本研究对低雷诺数的大比尺涡激运动模型试验研究有重要的理论价值，增加了我们对Spar平台涡激运动和自锁机理的认识，并为深海Spar平台的应用提供参考和理论依据。

涡激运动(VIM)是指Spar平台的柱形主体在强流作用下引起周期性的漩涡脱落，从而产生大幅水平运动的现象，是涡激振动(VIV)的一个特例，其雷诺数更高，响应幅值更大，周期更长。Spar平台的涡激运动会增加立管和锚泊系统的载荷，并加剧其疲劳损伤。本项目以Spar平台水下浮筒部分的大尺度圆柱的涡激运动为研究内容，以数值模拟为主要手段，考虑物面非线性和流固耦合作用，分析高雷诺数来流时大尺度圆柱涡激运动中圆柱所受荷载、运动响应及尾流形式的演变规律，揭示涡激运动及其自锁现象的形成机理。在本项目的研究过程中，建立了可以考虑二自由度涡激运动的数值模型以及近壁面和自由水面二维弹性支撑的结构涡激运动的时域模型，研究了考虑自由表面对大尺度结构流场作用的算法，并采用虚拟激励法计算了Spar平台附属立管涡激损伤，同时改进了现有离散涡法对涡元在物面上的处理方法，采用实验方法测定我国附近海域海底粒径级配不同的土壤的摩擦系数，提出了一种改进的基于流函数-涡量方程的离散涡方法，应用改进的离散涡方法对低质量比的海洋平台进行了二维数值模拟。本研究对低雷诺数的大比尺涡激运动模型试验研究有重要的理论价值，加深了对Spar平台涡激运动和自锁机理的认识，并为深海Spar平台的应用提供参考和理论依据。