[发明专利]海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于海洋工程技术领域的实验装置，具体涉及一种适用于半潜式平台、张力腿平台等海洋深水浮式平台的涡激运动模型实验装置。

背景技术

海洋深水浮式平台，包括半潜式平台，张力腿平台等，由于抵抗风浪能力强、适应水深范围广等优点，已成为重要的海洋油气资源勘探和开发装备之一。然而，半潜式平台和张力腿平台均为典型的多立柱浮体，在深海海流作用下，其立柱后方会发生周期性漩涡脱落，导致脉动压力产生，进而引发平台在水平面内产生长周期、大振幅的往复运动。这种大范围的涡激运动会影响平台锚链、立管和张力腿等构件的结构强度和疲劳寿命，影响正常的海上作业。因此，海洋深水浮式平台的涡激运动已成为海洋工程领域的研究热点和难点之一。由于复杂的平台外形和外部影响因素，模型实验是深水浮式平台涡激运动的主要研究手段。

为保持均匀、稳定的流场，涡激运动模型实验通常在船舶拖曳水池中开展，并采用等效的水平系泊系统将平台模型系泊于水池拖车之下，跟随拖车做匀速前进。由于实验中忽略了原有系泊系统的垂向载荷，传统的做法是在模拟平台自身质量的基础上，增加额外的压载质量，将平台的缩尺比模型压载至设计水线，以补偿系泊系统对平台的垂向载荷。这种的做法实际上改变了平台模型的质量和排水量之比，影响其涡激运动特性，并影响最终的实验结果。因此，在涡激运动实验中，应保证相同的质量和排水量之比，并且不能限制平台在水平方向上的运动。因此，必须设计恰当的实验装置，以准确模拟平台涡激运动的各项特性。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN200620047162，公开日2007年10月17日，公开了一种用于单柱式海洋平台涡激运动模型试验装置，包括系泊环、系泊孔、翼形挂柱、小肘板、横板、模型锚泊线分段、浮筒、重块、等效立管系统、单柱式海洋平台模型、拖车、非接触式光学测量系统、拉力传感器、应变放大器、接线装置、数据自动采集卡及计算机实时分析系统。用等效系泊系统来等效实际系泊系统的静力特性，用等效立管系统来等效实际立管系统的静力特性。模型系泊架由翼形挂柱、系泊环、系泊孔、小肘板和横板组成，翼形挂柱的截面形状为机翼形，系泊孔绕系泊环一周均匀分布。但由于深水浮式平台所处的海域水深极深，且每个平台的水深差异较大，而船舶拖曳水池的水深普遍较小，因此该装置难以模拟深水海洋环境，且结构较为笨重，难以根据实际水深条件调节相应深度，难以得到有效实施。并且，装置的翼型挂柱在涡激运动实验的拖曳过程中会在水中产生涡激振动，影响测试流场，并引起平台模型自身产生振动，影响实验测试精度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种在船舶拖曳水池中，用于海洋深水浮式平台涡激运动的模型实验装置，解决无法开展精细平台涡激运动试验的技术难点。该装置满足为深水浮式平台提供垂向系泊载荷的同时，保持其水平面自由运动的技术要求，并具有结构简单、操作便捷、工作稳定等特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种海洋深水浮式平台涡激运动模型实验装置，包括支撑框架、垂直连接机构、和水平连接机构三部分。垂直连接机构的一端连接于支撑框架，另一端连接平台模型。类似的，水平连接机构的一端连接于支撑框架，另一端连接平台模型。

支撑框架包括顶部平板、顶部固定装置、水平固定装置，顶部平板位于顶部固定装置下方。顶部平板为安装在顶部固定装置和平台模型之间的一个光滑、水平的金属平板，顶部平板用于承载平台模型垂向系泊载荷。顶部固定装置的高度和水平度能够调节，用于调节平台模型吃水、垂向系泊载荷大小和顶部平板的水平度。顶部固定装置与拖曳水池的拖车固定，随拖车同步运动。水平固定装置为一水平布置的桁架式圆环结构，能在水平方向上自由、快速旋转调节，以适应在不同来流角度下进行平台涡激运动实验。

垂直连接机构包括气浮平台、压簧、压力传感器，压力传感器位于气浮平台和压簧之间。垂直连接机构通过气浮平台与压簧的结合，在保证垂向系泊载荷和系泊刚度的同时，保持气浮平台和顶部平板之间具有一定间隙，避免水平方向的摩擦力，从而避免影响平台模型在水平方向上的运动特性。气浮平台由空气压缩机、压缩空气供气管和空气轴承组成，压缩空气通过空气轴承提供平台模型所需的垂向系泊载荷。压簧用于模拟平台系泊系统在垂直方向上的系泊刚度。压力传感器可以实时测量平台垂向载荷的大小，以准确监测平台模型的受力状态。