[发明专利]基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法

说明书

本发明提供了一种基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法，该水下流速剖面估计方法所用的硬件系统包括用于测量锚链张力变化的锚链张力传感器、用于测量立管端角的立管端角传感器、立管预张力传感器以及信号采集模块；锚链张力传感器、立管端角传感器、立管预张力传感器实时测量锚链张力、立管端角及立管顶端预张力数据，并通过信号采集模块采集，即为锚链和立管对应的前验信息，利用优化方法，得到最佳流速剖面估计；本方法的优点在于可以有效的利用已有数据，进行流速剖面估计。原有系统可通过软件升级实现响应的算法。本方法无需额外设备及投入，价格低廉，极大的提高了对水下环境情况的检测水平，有利于增强水下生产和操作的安全性。

技术领域

本发明涉及一种应用于海洋工程方面的水下流速剖面估计方法，特别涉及应用锚链拉力和立管端角来估计环境海流速度轮廓的方法。

背景技术

海流速度对于众多海上作业有着重要的影响，比如，浮式海洋平台锚链安装、深水起重和水下机器人操纵等。由于海流的形成原因复杂，流速随水深和时间变化，水下流速的测量通常依靠固定在指定水深的流速计来实现。然而该方法成本较高，安装费时，不利于短期操作。

发明内容

本发明提出一种根据锚链张力和立管端角进行流速估算的方法。该方法可以利用已有前验数据来快速、方便地进行流速估算。

本发明的技术方案：

一种基于锚链张力和立管上端角的水下流速剖面估计方法，步骤如下：

该水下流速剖面估计方法所用的硬件系统包括用于测量锚链张力变化的锚链张力传感器8、用于测量立管端角的立管端角传感器11、立管预张力传感器10以及信号采集模块；

锚链张力传感器8、立管端角传感器11、立管预张力传感器10实时测量锚链张力、立管端角及立管顶端预张力数据，并通过信号采集模块采集，即为锚链和立管对应的前验信息，利用优化方法(例如最小平方差估计)，得到最佳流速剖面估计；

其中，根据锚链、立管、环境参数对锚链和立管分别建模；利用已建立的锚链模型和假定的流速剖面(如均匀流、墨西哥湾流)，计算锚链张力变化量；利用已建立的立管模型，根据不同的流速剖面和立管顶端预张力，计算并获得相应的立管端角变化量；综上，得到一条锚链和一条立管对应的单一前验数据；根据锚链和立管的布置图，得到全部锚链和全部立管对应的全部前验信息(数据初始化)；

海洋浮式结构设有N根锚链固定，锚链经过导缆孔固定在转塔，锚链编号为i＝1…N；M根刚性立管从海底延伸到海洋浮式结构，在每根立管顶端均配置一个张紧器用于调节立管轴向拉力,立管标号为j＝1…M；锚链和立管的结构相关属性和参数，锚链和立管底端固定点位置为已知值；锚链张力T_i和立管顶端端角、底端端角α_j,β_j为可测量值；由于一阶波浪运动，T_i,α_j,β_j将随着海洋浮式结构的运动而发生变化，故其不是稳定值；

(1)锚链张力在海流下的变化量与流速剖面有关：在没有浪和流的条件下，锚链提供的张力为T_i0；当锚链受到水流作用时，锚链的张力发生变化，变为T_i(t)，变化量ΔT_i(t)＝T_i(t)-T_i0；对于不同的流速剖面，锚链张力变化量也不同；对于同样的流速剖面和不同的来流角度，锚链的张力变化量也不同；以图3中所示流速剖面(均匀流和墨西哥湾流)为例，其流速剖面与来流方向对张力变化量的影响的关系如图4所示。由于海洋浮式结构的一阶波浪运动，ΔT_i(t)绕着其平衡点对应的变化值上下变化，其中，为在平衡点处锚链张力；