[发明专利]一种圆柱体波流载荷的消减方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程领域，涉及一种圆柱体波流载荷的消减方法。

背景技术

二维圆柱体受波、流载荷共同作用的问题具有广泛的工程应用背景，如海洋石油平台桩腿、海底石油管线，以及跨海大桥桥墩等等。在定常水流和波浪的共同冲击下，在圆柱体上形成一种简谐振荡的流体作用力，使圆柱体发生振动。这种振荡力的存在将会造成柱结构的振动，长期的振动会导致圆柱体的疲劳损伤，特别是当振荡力的频率与圆柱体固有频率接近时，将使圆柱体发生共振，对结构的安全性、使用性能和寿命造成严重危害。对垂直于海平面放置的圆柱体而言，当水流和波浪方向一致时，形成的波、流非定常力最大，危害最大，是最典型的情况。这种典型情况下，圆柱体单位高度的水动力，可以用沿定常来流方向作简谐振荡的二维圆柱体单位长度(简称为流向振荡圆柱体)上的流体动力来模拟，两者等价。对于水平放置的海底管线而言，当管线经受水平水流和波浪共同作用时，水平方向的冲击力大于垂直方向，也可近似用流向振荡圆柱体的非定常流体动力来模拟。流向振荡圆柱体的交变载荷与圆柱表面上的流体边界层的非定常分离和尾流中旋涡脱落的交替产生有关。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种圆柱体波流载荷的消减方法。该方法通过均匀地向振荡圆柱的尾流喷射流体，以减小振荡圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免边界层的分离或减缓边界层的分离，进而使分离的边界层在喷射流体的冲击下不足以形成漩涡，从而有效控制尾流中旋涡脱落的产生，达到抑制波、流非定常振荡力的目的。

为实现上述发明目的，本发明方法是在圆柱波流载荷的待消减段上设置一圆筒形套层，在套层上开多个排气孔，套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后向套层与圆柱之间所形成的空间内不间断地充入压强为p的流体，该流体通过排气孔向外排出后即可消减圆柱波流载荷；其中p＝p₀+p₁，p₀为排气孔所受的最大环境水压，p₁为3～4个标准大气压。

所述的流体为空气、水或空气与水的混合物。

所述的套层与圆柱为同轴设置，且套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个排气孔。

所述的套层壁厚为0.05D～0.15D。

所述的排气孔直径为0.02D～0.05D，两个相邻排气孔的中心距为0.1D～0.2D，排气孔开孔方向与来流方向平行。

所述的套层与圆柱之间的间隙距离为0.05D～0.15D，其中D表示圆柱的截面直径。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、针对圆柱受水流和水波浪共同作用而发生的振荡，流体源提供一个均匀的正压，向圆柱体尾流排出流体，以最大限度地以减小振荡圆柱在绕流中产生的逆压梯度，避免或减缓边界层的分离，使得套层外的流体能够沿套层表面平滑地流过，从而有效抑制尾流中旋涡脱落的形成，达到消减波、流非定常振荡力的目的。

2、本方法适用性较强，控制不同振荡频率和振幅的圆柱时，只需对流体源的压力进行调节，方便快捷；控制不同方向的来流时，只需旋转套层，从而避免改变圆柱体结构本身，省时省力。

附图说明

图1是本发明控制圆柱体波流载荷的示意图；

图2是图1的A-A剖面的剖示图；

图3是应用本发明前振荡圆柱体向左运动时尾流的速度分布图；

图4是应用本发明后振荡圆柱体向左运动时尾流的速度分布图；

图5是应用本发明前振荡圆柱体向右运动时尾流的速度分布图；

图6是应用本发明后振荡圆柱体向右运动时尾流的速度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明方法是在圆柱体1波流载荷的待消减段上设置一圆筒形套层2，在套层上开多个排气孔3，套层的两端与圆柱体表面密封连接，然后外接的流体源4通过连接管5向套层与圆柱之间所形成的空间内连续地充入压强为p的流体，使得喷出的流体速度大小为定常来流速度的4～6倍。其中p＝p₀+p₁，p₀为排气孔所受的最大环境水压，p₁为3～4个标准大气压。

套层与圆柱为同轴设置，使得套层与圆柱之间所形成的空间为圆环柱，套层外圆表面上沿套层的母线方向等间距开有多个排气孔。

充入的流体可选空气、水或空气与水的混合物。

套层壁厚d为0.05D～0.15D。