一种具有围护结构的海上平台支撑柱及设计方法

1.本发明属于海上平台技术领域，具体涉及一种具有围护结构的海上平台支撑柱及设计方法。


背景技术：

2.海洋平台为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物。随着社会的发展和科学的进步，人类的需求也更加庞大，海洋中蕴藏着丰富的能源，为了探索深海资源，海上平台。海洋资源勘探具有高科技、高投入、高风险的特点。海上平台维护成本高、操作难度大。平台在海上面临着恶劣的生存环境，洋流的高速冲击以及波浪拍打所带来的不稳定荷载会影响海上平台的寿命。
3.减小主体结构动荷载的研究已经有许多，主要目的是对高层或超高层建筑的振动进行抑制，多采用附属结构来吸收振动能量，其附属结构为柔性结构，与主体结构是具有自由度的螺栓连接或柔性连接。这个设计的问题是吸收振动能量的附属结构与主体结构的连接点也会产生振动，当振动频率与主体结构接近产生谐振后会对主体结构造成巨大破坏；同时，可振动的附属结构其设计主要针对动态荷载如周期性洋流或风，对高速单方向来流的缓冲效果较弱，这些设计的问题不适用于海上平台支撑结构的维护，因此需要针对海洋环境下多相冲击，不规则冲击与高速来流并存等情况设计更适用于恶劣环境的防护结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种海上平台支撑柱的围护结构及设计方法，在高速来流时对边界层进行引导，对流动进行整流或者抑制了流动分离，减少阻力波动从而减小横向荷载和动荷载，增强支撑柱的承载力，延长海上平台的设计使用年限。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有围护结构的海上平台支撑柱的设计方法，步骤如下：
6.步骤(1)：在支撑柱的外围设计多个围护结构，每一个围护结构所在平面和支撑柱母线垂直；
7.步骤(2)：根据支撑柱的尺寸设计围护结构的高度值h，h等于支撑柱顺水流侧面中点的边界层厚度δ；
8.步骤(3)：设计相邻围护结构之间的间距s，s＝8h-10h。
9.进一步的，步骤(1)中的围护结构由横截面为正方形或半圆形的金属条固定设置在支撑柱外围形成，正方形金属条一侧和支撑柱外周固定连接，正方形的高度为h；半圆形金属条的直面一侧和支撑柱外周固定连接，半圆形的直径为h。
10.进一步的，围护结构通过螺栓与支撑柱连接，或者围护结构通过焊接和支撑柱连接。
11.进一步的，步骤(2)中的围护结构的高度值h的具体计算步骤如下：
[0012][0013][0014]
式中x为支撑柱顺水流侧面中点与柱前缘的距离，等于l/2，其中l为支撑柱的特征长度，ρ是流体的密度，μ为流体的粘性系数，v∞表示流体的平均速度。流体为海水或空气。
[0015]
进一步的，支撑柱的横截面为矩形或者圆形，当横截面为矩形时，特征长度l为支撑柱平行于流向的侧边的长度，当横截面为圆形时，特征长度l为支撑柱的直径。
[0016]
一种具有围护结构的海上平台支撑柱，采用上述的方法设计。
[0017]
进一步的，金属条的材质为合金钢。
[0018]
进一步的，金属条的材质为q255钢、q275钢或q235钢。
[0019]
进一步的，当围护结构的横截面为正方形时，在拐角处做圆角处理，使得过渡均匀。
[0020]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
[0021]
本发明基于抑制边界层转涙的原理，使截面高度接近柱体侧面边界层高度，对经过截面后的流体进行整流，调整截面下游的涡结构，减小对于截面表面的压阻和摩阻。理想截面高度应与当地边界层高度相等，若高于边界层高度会增大受力面积，反而使阻力增加，若与边界层相差过大则对边界层的影响效果较小，由于截面等高度排布，数学建模后发现截面取中点处的边界层高度可以使增加阻力与削弱减阻的负面组合效果最小。为了避免相邻截面整流后的涡结构干扰，将相邻截面间距设置为8-10倍的截面高度，使得每个截面的工作性能不受影响。
[0022]
现有的截面形状如三角形截面在长时间工作后受水流冲击前方会磨损，失去原有的形状，造成性能损失，而刃形截面自身的强度较小，不适应水流的多方冲击。相比三角形截面和刃形截面，正方形截面和半圆形截面具有更高的强度和耐磨损性能。
[0023]
本发明针对水下的工作情况设计了可拆卸的螺栓连接，可以对现有支撑柱进行加工，也便于后期维护更换。
[0024]
本发明采用常用的合金钢，在满足设计需求的前提下具有较好的经济效益，减小后期维修更换成本，有助于本发明的实现和推广。
附图说明
[0025]
图1为本发明的具有围护结构的海上平台支撑柱的三维示意图。
[0026]
图2为本发明的具有围护结构的海上平台支撑柱的正视图。
[0027]
图3为本发明的具有围护结构的海上平台支撑柱的俯视图。
[0028]
图4为围护结构的截面示意图；其中(a)为矩形围护结构，(b)为圆形围护结构。
[0029]
图5为仿真减阻率随时间变化曲线。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0031]
对海面上支撑柱进行围护结构的设计，单个柱构件的尺寸为500mm*500mm*
3000mm，考虑较危险工作环境(海面上空气密度为1.225kg/m3,粘性系数为1.7984*10-5，设计空气来流速度为30m/s，海水密度为1.025
×
103kg/m3、动力粘度为1.002
×
10-3kg/(m*s))，边界层位置设计选取柱侧面中点位置，x＝0.25m。
[0032]
实施例1
[0033]
对海面上的柱体构件进行围护设计。
[0034]
考虑对海面上主体的工作环境，雷诺数计算可得：
[0035][0036]
代入δ的计算公式可得δmax≈17.45mm，考虑到结构加工成本，选取围护截面高度为15mm。
[0037]
根据上文给出的计算方法结合构件的实际尺寸,截面间距设置为s＝10x＝150mm。
[0038]
在海面上处于高速来流区域且相对海水不易受到腐蚀，因此可采用焊接的方式将围护截面与柱体进行连接；
[0039]
仿真验证：
[0040]
为了对本实施例的可行性进行研究，使用fluent软件对本设计在空气条件下进行简化后的流体仿真，其中环境条件设置为：压强p＝101325pa；温度t＝300k；来流速度v＝30m/s，空气粘性设置为1.7894*10-5。简化后的构件尺寸为400*400*1000，计算后取截面高度为10mm，间距100mm。流体粘性模型采取les模型，计算参数采用默认设置，计算后统计减阻率并绘制图像如附图5。从图5中可以看出正方形截面的减阻率时间曲线在初期有向上的抖动，在后期逐渐稳定，而半圆形截面的减阻曲线则是在0.05s左右有较大的下降，其他时间保持平稳，并且在所有时间均高于正方形截面。
[0041]
实施例2
[0042]
考虑对海面下主体的工作环境，雷诺数计算可得：
[0043][0044]
可以看到海水在设计工作状态下相对空气更加稳定，代入δ的计算公式可得δmax≈1.56mm，考虑到结构加工成本，选取围护截面高度为1.5mm。
[0045]
根据上文给出的计算方法，截面间距设置为s＝8x＝9mm，结合构件的实际尺寸，设置为s＝10mm。
[0046]
在海面下处于易受到腐蚀的环境,具有后期更换维护的需求，因此使用螺栓连接的方式与柱构件进行连接。