帶螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

何佳偉 ，趙偉文 ，萬(wàn)德成*

1上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

2高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

3上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240

0 引 言

目前，世界上常用的深水生產(chǎn)平臺(tái)包括浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（FPSO）、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)（Semi-sub）、Spar平臺(tái)及張力腿平臺(tái)（TLP）等，其中Spar平臺(tái)因相對(duì)于其他深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)具有穩(wěn)性好、運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)的特點(diǎn)，故成為當(dāng)今世界深海石油開(kāi)采的有力工具。Spar平臺(tái)主要有3種類型：傳統(tǒng)型、桁架型和蜂巢型。Spar平臺(tái)在來(lái)流作用下，細(xì)長(zhǎng)的圓柱形結(jié)構(gòu)部分會(huì)交替泄渦產(chǎn)生順流向的拖曳力和橫流向的升力，這種周期性的流體力作用在平臺(tái)上，平臺(tái)就會(huì)隨之周期性地往復(fù)運(yùn)動(dòng)［1］，這種流固耦合問(wèn)題稱作“渦激運(yùn)動(dòng)”（Vortex Induced Motions，VIM）。

在單柱以及Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)發(fā)生機(jī)理、影響因素和性能預(yù)報(bào)等方面，許多學(xué)者［2-7］進(jìn)行了大量的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致立管疲勞和錨泊系統(tǒng)損傷，是影響平臺(tái)和立管安全及正常作業(yè)的重要因素。因此，有必要對(duì)Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)抑制措施進(jìn)行專門的研究。目前，螺旋側(cè)板是針對(duì)柱形結(jié)構(gòu)物減渦使用最多的一種裝置，其主要是通過(guò)擾亂漩渦分離角度以達(dá)到消減漩渦強(qiáng)度的目的，最終減小渦激運(yùn)動(dòng)幅值。

有關(guān)抑制Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的研究，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)工作。成欣等［8］研究了螺旋側(cè)板對(duì)浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，通過(guò)與不附加螺旋側(cè)板情況下的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)附加螺旋側(cè)板后，浮式風(fēng)機(jī)的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)幅值與所受波浪力均得到了顯著抑制；與縱蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)相比，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值和所受波浪力均受到了較大影響；螺旋側(cè)板對(duì)纜索張力無(wú)明顯的抑制作用。張楠等［9］采用大渦模擬（LES）方法，通過(guò)對(duì)水動(dòng)力系數(shù)、漩渦發(fā)放頻率及尾渦形態(tài)的分析，研究了3種不同截面形狀（矩形、三角形和圓形）螺旋側(cè)板對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)的影響。孫洪源等［10］研究了浮式圓柱體在均勻流下的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行了水槽模型實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了折合速度在1.3～10.2范圍內(nèi)的有、無(wú)螺旋側(cè)板圓柱的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，裸圓柱在折合速度為6～8時(shí)發(fā)生了鎖定現(xiàn)象，而增加螺旋側(cè)板后抑制渦激運(yùn)動(dòng)效果顯著，且無(wú)明顯的鎖定現(xiàn)象；在流固耦合作用下，渦激運(yùn)動(dòng)橫蕩頻率不再符合斯特勞哈爾（Strouhal）頻率變化規(guī)律。Lefevre等［5］對(duì)加裝了螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)采用基于SA模型的分離渦方法（SA-DES）、基于剪切輸運(yùn)應(yīng)力方程的分離渦方法（SST-DES）和改進(jìn)的延時(shí)分離渦方法（IDDES）等幾種湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并與模型試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，其工作對(duì)采用CFD手段進(jìn)行渦激運(yùn)動(dòng)研究具有指導(dǎo)意義。Van Dijk等［11］對(duì)桁架型 Spar平臺(tái)的 VIM 試驗(yàn)方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)有、無(wú)螺旋側(cè)板的VIM運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示螺旋側(cè)板可以顯著降低桁架型Spar平臺(tái)的VIM運(yùn)動(dòng)幅值。

CFD方法被廣泛應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)物數(shù)值模擬，本文也將采用CFD方法進(jìn)行研究。Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題在模型尺度下一般來(lái)說(shuō)其雷諾數(shù)已經(jīng)很大，達(dá)到10萬(wàn)量級(jí)，更不用說(shuō)實(shí)尺度。因此，選取合適的湍流模型數(shù)值模擬Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題就顯得至關(guān)重要。從文獻(xiàn)［12］中可以看到，對(duì)于渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，數(shù)值模擬多采用商業(yè)軟件，湍流模式也多采用模化平均的RANS方法以及模擬雖精細(xì)但耗費(fèi)計(jì)算資源的LES方法。本文將采用一種混合RANS和LES的湍流模式對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行一些有益探索。湍流模式選取基于剪切輸運(yùn)應(yīng)力方程的延時(shí)分離渦（SST-DDES）方法，SST-DDES基于SST模型的分離渦方法在RANS求解區(qū)域采用未經(jīng)修改的SSTk-ω模型作為控制方程，在LES求解區(qū)域采用改造后的SSTk-ω模型作為亞格子模型的控制方程。在降低計(jì)算量的同時(shí)，保證LES湍流區(qū)域的求解精度。整體求解本文將采用基于開(kāi)源OpenFOAM開(kāi)發(fā)的自主研制的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU，對(duì)帶螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)報(bào)Spar平臺(tái)在均勻來(lái)流下的水動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，分析Spar平臺(tái)橫向和流向運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程、頻譜特性、鎖定現(xiàn)象等，揭示其內(nèi)在機(jī)理。

1 數(shù)值方法

1.1 運(yùn)動(dòng)方程

Spar平臺(tái)橫向和縱向的運(yùn)動(dòng)方程可以分別表示為以下形式：

若考慮艏搖運(yùn)動(dòng)，則需要求解額外的艏搖運(yùn)動(dòng)方程：

1.2 渦激運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)

渦激運(yùn)動(dòng)是一個(gè)典型的流固耦合問(wèn)題，其影響因素比較復(fù)雜。研究渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)，常關(guān)注如下幾個(gè)關(guān)鍵的無(wú)因次參數(shù)。

雷諾數(shù)：

平臺(tái)在來(lái)流中的無(wú)量綱折合速度：

斯特勞哈爾數(shù)：

無(wú)量綱振幅比：

質(zhì)量比：

式中：U為流體速度；D為特征長(zhǎng)度（對(duì)Spar平臺(tái)而言，特征長(zhǎng)度通常取為直徑）；υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度；fn為平臺(tái)在靜水中的橫蕩頻率；fs為平臺(tái)的泄渦頻率；A為平臺(tái)的橫蕩運(yùn)動(dòng)幅值；mass為平臺(tái)的質(zhì)量；Δ為排水量。對(duì)半潛和Spar平臺(tái)來(lái)說(shuō)，一般質(zhì)量比mr近似為1。

1.3 動(dòng)網(wǎng)格和水平彈簧

為了求解物體運(yùn)動(dòng)，計(jì)算中需要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。本文采用OpenFOAM中的動(dòng)態(tài)變形網(wǎng)格技術(shù)處理Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)時(shí)的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，這種動(dòng)態(tài)變形網(wǎng)格方式可保持拓?fù)潢P(guān)系不變，通過(guò)網(wǎng)格單元拉伸和變形來(lái)處理網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)通過(guò)求解基于有限元的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)拉普拉斯方程得到。有關(guān)動(dòng)網(wǎng)格方法，趙偉文等［4］采用該方法對(duì)一座Spar平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行模擬，證明了其對(duì)于此類問(wèn)題模擬的可靠性。Spar平臺(tái)的系泊系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)起限制位移的作用。在進(jìn)行平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)時(shí)，通常將其運(yùn)動(dòng)限制在水平面內(nèi)，僅考慮3個(gè)主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)（橫蕩、縱蕩及艏搖）。因此，平臺(tái)系泊系統(tǒng)以水平線性彈簧替代模擬。

2 數(shù)值計(jì)算設(shè)置

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型選取 Thiagarajan等［13］于 2015年進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的Spar平臺(tái)，主要計(jì)算參數(shù)如表1所示（表中D為圓柱直徑）。對(duì)該Spar平臺(tái)模型進(jìn)行VIM數(shù)值模擬，將平臺(tái)硬艙部分簡(jiǎn)化為剛性圓柱的縮尺比模型，圓柱加裝螺旋側(cè)板，考慮側(cè)板的渦激抑制效應(yīng)。本文模擬中3塊螺旋側(cè)板相互間隔120°。

表1 Spar平臺(tái)計(jì)算模型主要參數(shù)Table 1 The main parameters of Spar platform

由于在模擬過(guò)程中Spar平臺(tái)會(huì)大幅度運(yùn)動(dòng)，所以采用自主開(kāi)發(fā)求解器naoe-FOAM-SJTU中的六自由度運(yùn)動(dòng)模塊和動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算模擬。為保證所模擬Spar平臺(tái)尾渦充分發(fā)展，將平臺(tái)布置到了計(jì)算域靠近入口的一側(cè)，同時(shí)距兩側(cè)5D，以保證其不受兩側(cè)邊界的影響。計(jì)算大小為：-5D＜x＜12D，-5D＜ y＜5D，-3D＜z＜0。整個(gè)計(jì)算域大小和網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。在Spar平臺(tái)周圍小范圍進(jìn)行了加密，矩形區(qū)域大小為：-D＜x＜8D，-2D ＜y＜2D，-2D＜z＜0。網(wǎng)格劃分工具采用Open FOAM的block Mesh和snappy Hex Mesh，腳本自動(dòng)生成得到非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，近壁面的網(wǎng)格厚度y+≈1，最終加裝了螺旋側(cè)板和無(wú)螺旋側(cè)板的總網(wǎng)格量分別約為480萬(wàn)和400萬(wàn)。加裝螺旋側(cè)板后網(wǎng)格量稍有增加，是因?yàn)閳A柱表面和側(cè)板連接處需要加密，但算例整體網(wǎng)格控制在一個(gè)加密等級(jí)和量級(jí)。

2.2 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

圖1 計(jì)算域示意圖和網(wǎng)格劃分Fig.1 The schematic of computational domain and meshes

表2所示為5套網(wǎng)格的參數(shù)和對(duì)應(yīng)的平均阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果。從表中可以看出，網(wǎng)格數(shù)量的提高對(duì)平均阻力系數(shù)值影響不大。因此，為保證計(jì)算精度并兼顧計(jì)算效率，本文使用細(xì)網(wǎng)格1，總網(wǎng)格數(shù)約480萬(wàn)。

表2 5套網(wǎng)格的平均阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Computational results of average resistance coefficient with five sets of mesh

2.3 邊界條件及數(shù)值離散

本文邊界條件設(shè)置如下：速度入口、壓力出口；頂部為對(duì)稱邊界，底部為可滑移條件；左面和右面均為可滑移條件；在模型表面，采用無(wú)滑移固壁邊界條件。

求解控制方程時(shí)，采用有限體積法離散，時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式歐拉格式離散，壓力速度耦合采用Open FOAM的PIMPLE算法求解。由于PIMPLE算法有允許使用大時(shí)間步長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，故很適合渦激運(yùn)動(dòng)這種計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。對(duì)流項(xiàng)采用帶限制器的線性差分（Total Variation Diminishing，TVD）格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用高斯線性守恒格式離散。

2.4 分離渦模擬

分離渦模擬（DES）是目前最流行的混合RANS-LES湍流模型。DES經(jīng)過(guò)了一系列的發(fā)展，最初，由Spalart等于1997年對(duì) SA（Spalart-Allmaras）模型進(jìn)行改造提出SA-DES模型，接著，Menter等也基于兩方程的SST模型發(fā)展了SST-DES模型，隨后，又基于改進(jìn)模型應(yīng)力損耗（Modeled Stress Depletion，MSD）問(wèn)題在 SST-DES的基礎(chǔ)上發(fā)展出SST-DDES模型。DES的主要思想是采用RANS模型覆蓋邊界層，通過(guò)減少近壁面處的邊界層網(wǎng)格降低計(jì)算量，并在分離區(qū)域?qū)⒛Ｐ娃D(zhuǎn)換為L(zhǎng)ES來(lái)降低整體計(jì)算成本，不過(guò)仍然提供了LES在分離區(qū)域模擬中的一些優(yōu)點(diǎn)，可以保證模擬高雷諾數(shù)下大分離流動(dòng)問(wèn)題的求解精度。有關(guān)分離渦模擬的細(xì)節(jié)和驗(yàn)證工作，在文獻(xiàn)［14］中已有詳細(xì)介紹。本文選用SST-DDES分離渦方法進(jìn)行數(shù)值模擬工作。

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2所示是對(duì)帶螺旋側(cè)板的自由衰減試驗(yàn)，計(jì)算所得橫蕩自由衰減周期Tn=27.0 s，與文獻(xiàn)［15］中計(jì)算結(jié)果25.5 s相比約相差5%，圖中，縱坐標(biāo)s（f）為對(duì)應(yīng)橫軸上一定頻率的信號(hào)幅值。圖3所示為不同折合速度下無(wú)量綱化橫向最大響應(yīng)幅值（Amax/D）與文獻(xiàn)［16］中試驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)［13］中CFD計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。圖4所示為有、無(wú)螺旋側(cè)板圓柱的橫蕩時(shí)歷曲線與文獻(xiàn)［13］中CFD計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，在Ur=6折合速度下，文獻(xiàn)［13］中CFD計(jì)算給出的有螺旋側(cè)板圓柱的橫蕩周期結(jié)果為25.7 s，本文計(jì)算結(jié)果為27.3 s，相對(duì)誤差約5%。

3.2 VIM試驗(yàn)

選取 5個(gè)不同折合速度（Ur=6，7，8，10，12）進(jìn)行VIM試驗(yàn)，如圖5所示。

由圖5可以看出，在不同折合速度下，來(lái)流速度大小的變化對(duì)平臺(tái)橫向和流向運(yùn)動(dòng)的影響很大。無(wú)論是否有螺旋側(cè)板，隨著折合速度的增大，圓柱在流向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值增大，而橫向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值則未呈現(xiàn)此種情況。在無(wú)螺旋側(cè)板情況下，隨著折合速度的增大，光滑圓柱橫向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，出現(xiàn)了“鎖定”現(xiàn)象；在有螺旋側(cè)板情況下，橫向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值略有增加。

圖2 自由衰減試驗(yàn)（帶螺旋側(cè)板）Fig.2 Free-decay tests（with helical strake）

圖3 不同折合速度下無(wú)量綱化橫向最大響應(yīng)幅值Fig.3 Dimensionless transversal maximum response amplitude at different reduced velocities

圖4 橫蕩時(shí)歷曲線與文獻(xiàn)［13］的CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between the time history curves of VIM sway motion and CFD computational results with the Referrence［13］

圖5 不同折合速度下的橫蕩和縱蕩時(shí)歷曲線和對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Time history curves of VIM sway and surge motion and the motion trajectory at different reduced velocities

圖6給出了不同折合速度下的Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡圖。由Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以看到，在無(wú)螺旋側(cè)板情況下，出現(xiàn)了“鎖定”現(xiàn)象，而加裝螺旋側(cè)板后未出現(xiàn)明顯的“鎖定”現(xiàn)象。經(jīng)觀察無(wú)螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折合速度Ur=8時(shí)，Spar平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)幅值明顯最大，且隨著折合速度的減小（Ur=10，12），橫向運(yùn)動(dòng)幅值明顯減小，系統(tǒng)逐漸脫離“鎖定”區(qū)域，這一過(guò)程即被稱為“解鎖”。鎖定現(xiàn)象的出現(xiàn)，是因?yàn)闄M向泄渦頻率接近于其橫蕩固有頻率而產(chǎn)生共振現(xiàn)象所致。由圖還可看出，是否加裝螺旋側(cè)板對(duì)Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響很大：加裝螺旋側(cè)板將極大地降低Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的橫向幅值。在有螺旋側(cè)板情況下，雖然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的鎖定現(xiàn)象，但有一點(diǎn)很明顯的是，有螺旋側(cè)板的模型橫蕩運(yùn)動(dòng)最大幅值為0.5D，相比無(wú)螺旋側(cè)板模型的最大幅值1.5D降低了約67%；與此同時(shí)，在折合速度Ur=8、無(wú)螺旋側(cè)板“鎖定”現(xiàn)象發(fā)生情況下，相比有螺旋側(cè)板，流向運(yùn)動(dòng)振蕩（縱蕩）幅值從1.25D降到了0.5D。可以看出，螺旋側(cè)板對(duì)于抑制Spar平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)（橫蕩）和流向運(yùn)動(dòng)（縱蕩）效果明顯。

圖6 不同折合速度下的Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Comparison of the VIM motion trajectory of Spar platform with and without helical strakes at different reduced velocities

表3給出了有、無(wú)螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)不同折合速度下的橫蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)比。從表中可以看到，在相同折合速度下，加裝螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)橫蕩周期Ty值明顯小于無(wú)螺旋側(cè)板的平臺(tái)橫蕩周期Ty。與此同時(shí)，安裝螺旋側(cè)板后，可以看到極大地降低了其渦激運(yùn)動(dòng)的橫向幅值。

表3 有、無(wú)螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)不同折合速度下橫蕩對(duì)比Table 3 Comparison of the simulated VIM sway motion of Spar platform with and without helical strakes at different reduced velocities

圖7所示為不同折合速度下的橫蕩時(shí)間歷程曲線傅里葉頻譜分析，對(duì)其進(jìn)行分析，可以得到三維流動(dòng)下不同折合速度對(duì)橫蕩周期的影響。經(jīng)對(duì)比相同折合速度下的曲線可以發(fā)現(xiàn)，加裝螺旋側(cè)板之后，平臺(tái)橫蕩周期降低，因分離點(diǎn)轉(zhuǎn)移到側(cè)板頂端，使旋渦沿側(cè)板進(jìn)行分離，故渦旋的形態(tài)隨之發(fā)生改變。同時(shí)，加裝螺旋側(cè)板后，隨著來(lái)流速度的增加，從Ur=10開(kāi)始，當(dāng)Tn=36.8 s時(shí)，在主頻附近出現(xiàn)了多個(gè)較明顯的峰值，Ur=12時(shí)更明顯，當(dāng)Tn=38.9 s時(shí)，在主頻附近也出現(xiàn)了多個(gè)峰值。可見(jiàn)，隨著來(lái)流速度的增加，螺旋側(cè)板的存在徹底破壞了流場(chǎng)尾渦的單一發(fā)放頻率。

圖7 不同折合速度下的橫蕩時(shí)間歷程曲線傅里葉頻譜分析Fig.7 The FFT of sway for VIM tests at different reduced velocities

圖8所示為折合速度Ur=6時(shí)尾流區(qū)域瞬時(shí)三維泄渦結(jié)構(gòu)圖。圖中，Ux/U0為無(wú)量綱化速度場(chǎng)x分量，其中Ux為速度場(chǎng)，U0為來(lái)流速度。圖9為不同折合速度下水平截面漩渦分離二維渦量云圖（圖中 z/L=0.5，其中 L指Spar平臺(tái)吃水深度）。從圖可以看出，加裝螺旋側(cè)板后，流動(dòng)分離都轉(zhuǎn)移到側(cè)板邊緣開(kāi)始，其邊界層分離點(diǎn)變?yōu)榱寺菪齻?cè)板的頂端，使得旋渦沿螺旋側(cè)板進(jìn)行分離；而無(wú)螺旋側(cè)板光滑圓柱的流動(dòng)分離則是從柱體表面開(kāi)始，三維流動(dòng)特性明顯，破壞了渦脫落的規(guī)律性，抑制了渦激運(yùn)動(dòng)。圖10所示為垂直截面漩渦速度云圖（圖中Ut/U為無(wú)量綱化后的總平均速度場(chǎng)）。從中可以看出，加上螺旋側(cè)板后，自由端的高速流動(dòng)區(qū)變小，在圓柱后端尾渦區(qū)，低速流動(dòng)區(qū)明顯比無(wú)螺旋側(cè)板的低速流動(dòng)區(qū)長(zhǎng)且多，這也導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)幅值的降低，體現(xiàn)出螺旋側(cè)板對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)的抑制效果很好。

圖8 Ur=6時(shí)尾流區(qū)域瞬時(shí)渦結(jié)構(gòu)圖（Q準(zhǔn)則，Q=10）Fig.8 Vortex structure contours by Q-criterion（Q=10）in wake region at Ur=6

圖9 不同折合速度下水平截面（z/L=0.5）漩渦分離渦量云圖Fig.9 Distribution of vorticity contours on the horizontal plane（z/L=0.5）with different reduced velocities

圖10 不同折合速度下垂直截面漩渦速度云圖Fig.10 Distribution of vorticity contours on the y=0 vertical plane with different reduced velocities

4 結(jié) 論

本文基于CFD方法，利用SST-DDES模型對(duì)無(wú)螺旋側(cè)板光滑圓柱及加裝了螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)進(jìn)行了研究，針對(duì)有、無(wú)螺旋側(cè)板對(duì)Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了比較分析，得到以下主要結(jié)論：

1）在無(wú)螺旋側(cè)板情況下觀察到了鎖定現(xiàn)象，而在有螺旋側(cè)板的情況下，平臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)（橫蕩）響應(yīng)幅值未出現(xiàn)明顯的鎖定現(xiàn)象。有、無(wú)螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有著明顯的區(qū)別：加裝螺旋側(cè)板后，極大地降低了平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的橫向幅值；安裝螺旋側(cè)板后雖然未發(fā)現(xiàn)明顯的鎖定現(xiàn)象，但有一點(diǎn)很明顯的是，有螺旋側(cè)板模型的橫蕩響應(yīng)最大幅值0.5D相比無(wú)螺旋側(cè)板模型橫蕩響應(yīng)最大幅值1.5D降低了約67%；同時(shí)，在折合速度Ur=8、無(wú)螺旋側(cè)板“鎖定”情況下，相比有螺旋側(cè)板，無(wú)螺旋側(cè)板的流向運(yùn)動(dòng)（縱蕩）振蕩幅值從1.25D降到了0.5D。可見(jiàn)，螺旋側(cè)板對(duì)于抑制Spar平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)和流向運(yùn)動(dòng)效果明顯。

2）經(jīng)對(duì)比相同折合速度下的情況可以發(fā)現(xiàn)，與不加裝螺旋側(cè)板時(shí)相比，安裝螺旋側(cè)板后平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)周期Ty的值有所降低，分離點(diǎn)轉(zhuǎn)移到側(cè)板頂端，使旋渦沿側(cè)板進(jìn)行分離，渦旋的形態(tài)也隨之發(fā)生改變。隨著來(lái)流速度的增加，在主頻附近出現(xiàn)了多個(gè)頻率峰值，說(shuō)明螺旋側(cè)板的存在隨著來(lái)流速度的增加徹底破壞了流場(chǎng)尾渦的單一發(fā)放頻率。

3）本文的模擬和計(jì)算驗(yàn)證了自主開(kāi)發(fā)的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU可以用于海洋平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的計(jì)算模擬。

本文采用自主開(kāi)發(fā)的CFD求解器對(duì)模型尺度帶螺旋側(cè)板的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，并重點(diǎn)考察了有、無(wú)螺旋側(cè)板的減渦效果。盡管目前做了一些嘗試，但仍有大量的研究工作要做，例如高雷諾數(shù)下的湍流模型是計(jì)算準(zhǔn)確的一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，加裝螺旋側(cè)板后來(lái)流與側(cè)板夾角也是影響計(jì)算精度的一個(gè)因素，后續(xù)將研究加裝螺旋側(cè)板后來(lái)流角度對(duì)Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的影響。