专利名称:一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，它包括隔水管柱浮力块（1），浮力块（1）的外径D为0.9144~1.397m，浮力块（1）的柱面上且沿浮力块的长度方向上设置有多个三角形沟槽（2），三角形沟槽（2）沿浮力块（1）的圆周方向均匀分布，三角形沟槽（2）的深度h为(0.01~0.03)D，三角形沟槽（2）的宽度d为（0.05~0.1）D，三角形沟槽（2）的数量n为15~30条。本实用新型的有益效果是：具有减小隔水管柱所受洋流阻力，从而减小隔水管柱端部连接支反力、减弱隔水管柱涡激振动、延长隔水管柱使用寿命且无需在隔水管柱上额外添加构件的特点。
【专利说明】一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及减小洋流对隔水管柱的阻力的【技术领域】，特别是一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构。
【背景技术】
[0002]随着海洋油气开发由浅海向1000-3000米深海迈进，隔水管柱作为海洋油气开发的重要通道其长度也大大增长，相应在如此大长度下其所受到的绕流阻力作用也越发不可忽视，特别是对于隔水管柱端部连接支反力的增大以及涡激振动增强。绕流造成的巨大阻力必将对给水管的稳定性、安全性以及服役年限造成不利影响。因此，对于深水隔水管柱绕流减阻控制的研究显得至关重要。
[0003]对于隔水管柱减阻方法如今已有较多研究，归结起来主要就是:在隔水管柱周围添加分离板或分离棒，在隔水管柱上添加螺旋条纹以及在隔水管柱外部添加有孔罩等，相应的限制隔水管柱扰流分离、干扰隔水管柱展向绕流相关性及影响表面剪切层的产生等以达到对隔水管柱绕流进行减阻的目的。它们都有一个共同缺点就是都需要在隔水管柱上额外添加构件，这对于处于复杂海洋环境工况下的隔水管柱无论从自重或是结构紧凑性上都是十分不利的。
[0004]非平表面减阻技术已受到学者广泛关注，特别是在圆柱绕流方面，国外学者已经通过实验证实粗糙的圆柱表面或是沟槽凹坑可以减小圆柱绕流中圆柱所受到到的流体阻力。现实生活能够非常明显看到非平表面减阻技术运用的例子就是对于高尔夫球上的设计。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于运用非平表面减阻技术，克服现有技术的缺点，提供一种具有减小隔水管柱所受洋流阻力且无需在隔水管柱上额外添加构件的浮力块表面结构，实现隔水管柱端部支反力的减小以及涡激振动的减弱，提高隔水管柱可靠性，延长隔水管柱使用寿命。
[0006]由于非平表面减阻技术在高尔夫球减阻上的成功运用，本实用新型将非平表面减阻技术运用到对隔水管的减阻上。又高尔夫球表面凹坑尺寸设计:凹坑深度约为0.01倍高尔夫球直径和凹坑的大小约为10倍凹坑深度，由此为本实用新型中非平表面的设计提供依据。
[0007]本实用新型的目的通过以下技术方案来实现:一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，浮力块的外径D为0.9144-1.397m，这里将附于隔水管柱上的浮力块外部轮廓近似为圆柱面，所述的浮力块的柱面上且沿浮力块的长度方向上设置有多个三角形沟槽，三角形沟槽沿隔水管柱的圆周方向均匀分布，所述的三角形沟槽的深度h为(0.01-0.03)D，三角形沟槽的宽度d为(0.05-0.1) D，三角形沟槽的数量η为15-30条。
[0008]所述的浮力块的柱面上且沿浮力块的长度方向上设置有多个圆弧形沟槽，圆弧形沟槽沿浮力块的圆周方向均勻分布，所述的圆弧形沟槽的深度h为(0.01-0.05)D,圆弧形沟槽的宽度d为(0.01-0.03) D，圆弧形沟槽的数量η为15~30条。
[0009]所述的浮力块的柱面上设置有以矩形阵列分布的矩形凹坑，每排矩形凹坑的数量η为15~30条，所述的矩形凹坑的深度h为(0.01-0.03)D，矩形凹坑的宽度d为(0.05-0.1)D，矩形凹坑的长度e为(0.05-0.15)D，沿浮力块轴向方向上的每相邻两个矩形凹坑的距离s 为(0.02-0.DD0
[0010]所述的矩形凹坑以菱形阵列的形式分布在浮力块的柱面上。
[0011]所述的浮力块的柱面上设置有以矩形阵列分布的圆形凹坑，每排圆形凹坑的数量η为15~30条，所述圆形凹坑的深度h为(0.01~0.03)D，圆形凹坑的宽度d为(0.05~0.1)D，沿浮力块轴向方向上的每相邻两个圆形凹坑的距离s为(0.02~0.1)D0
[0012]所述的圆形凹坑以菱形阵列的形式分布在浮力块的柱面上。
[0013]所述的浮力块的柱面上设置有以矩形阵列分布的椭圆形凹坑，所述的椭圆形凹坑的深度h为(0.01-0.03)D,椭圆形凹坑的长度d为(0.05-0.2) D，椭圆形凹坑的宽度e为(0.5~1) d，沿浮力块轴向方向上的每相邻两个椭圆形凹坑的距离s为(0.02-0.DD0
[0014]所述的椭圆形凹坑以菱形阵列的形式分布在浮力块的柱面上。
[0015]本实用新型具有以下优点:本实用新型在浮力块的柱面上布置有三角形沟槽，三角形沟槽的深度h为(0.01~0.03)0，宽度(1为(0.05~0.1)D，数量η为15~30条，当洋流横向流经隔水管柱时，使得洋流在隔水管柱上的分离点后移，进而隔水管柱后部低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小，能够有效较小隔水管柱所受洋流阻力，减小隔水管柱端部连接支反力、减弱隔水管柱涡激振动，此外，无需在隔水管柱上添加额外铺助构件，这无论是在隔水管柱自重方面或是隔水管柱紧凑性方面都是十分有利的。以上这些优点对所处复杂海洋环境的隔水管柱的可靠性、使用年限都大有裨益。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例一的结构示意图；
[0017]图2为图1的俯视图；
[0018]图3为图2的A-A剖视图；
[0019]图4为本实用新型实施例二的结构示意图；
[0020]图5为图4的俯视图；
[0021]图6为图5的B-B剖视图；
[0022]图7为本实用新型实施例三的结构示意图；
[0023]图8为图7的俯视图；
[0024]图9为图7的C-C剖视图；
[0025]图10为矩形凹坑以菱形阵列分布的结构示意图；
[0026]图11为本实用新型实施例四的结构示意图；
[0027]图12为图11的D-D剖视图；
[0028]图13为圆形凹坑以菱形阵列分布的结构示意图；
[0029]图14为本实用新型实施例五的结构示意图；
[0030]图15为椭圆形凹坑以菱形阵列分布的结构示意图；
[0031]图16为光滑结构浮力块阻力系数Cd折线图；
[0032]图17为三角形沟槽结构浮力块阻力系数Cd折线图；
[0033]图18为圆弧形沟槽结构浮力块阻力系数Cd折线图；
[0034]图19为菱形分布的圆形凹坑结构浮力块阻力系数Cd折线图。
[0035]图中，1-浮力块，2-三角形沟槽，3-圆弧形沟槽，4-矩形凹坑，5-圆形凹坑，6_椭圆形凹坑。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，本实用新型的保护范围不局限于以下所述:
[0037]如图1-3所示，一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，它包括隔水管柱浮力块1，浮力块I的外径D为0.9144-1.397m，这里将附于隔水管柱上的浮力块外部轮廓近似为圆柱面，所述的浮力块I的柱面上且沿浮力块I的长度方向上设置有多个三角形沟槽2，三角形沟槽2沿隔水管柱的圆周方向均匀分布，所述的三角形沟槽2的深度h为(0.01-0.03)D，三角形沟槽2的宽度d为(0.05-0.1)D，三角形沟槽2的数量η为15-30条，从而使洋流在隔水管柱上的分离点后移，使得低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小。
[0038]如图4-6所示，浮力块I的柱面上且沿浮力块I的长度方向上设置有多个圆弧形沟槽3，圆弧形沟槽3沿浮力块I的圆周方向均匀分布，所述的圆弧形沟槽3的深度h为(0.01-0.05)D，圆弧形沟槽3的宽度d为(0.01-0.03) D，圆弧形沟槽3的数量η为15~30条，从而使洋流在隔水管柱上的分离点后移，使得低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小。
[0039]如图7-9所示，浮力块I的柱面上设置有以矩形阵列分布的矩形凹坑4，每排矩形凹坑4的数量η为15~30条，所述的矩形凹坑4的深度h为(0.01-0.03) D，矩形凹坑4的宽度d为(0.05-0.1) D，矩形凹坑4的长度e为(0.05-0.15) D，沿浮力块I轴向方向上的每相邻两个矩形凹坑4的距离s为(0.02-0.1) D，从而使洋流在隔水管柱上的分离点后移，使得低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小。如图10所示，矩形凹坑4还可以以菱形阵列的形式分布在浮力块I的柱面上。
[0040]如图11和图12，浮力块I的柱面上设置有以矩形阵列分布的圆形凹坑5，每排圆形凹坑5的数量η为15~30条，所述圆形凹坑的深度h为(0.01-0.03) D，圆形凹坑5的宽度d为(0.05-0.1)D,沿浮力块I轴向方向上的每相邻两个圆形凹坑5的距离s为(0.02-0.1)D，从而使洋流在隔水管柱上的分离点后移，使得低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小。如图13所示，圆形凹坑5以菱形阵列的形式分布在浮力块I的柱面上。
[0041]如图14所示，浮力块I的柱面上设置有以矩形阵列分布的椭圆形凹坑6，所述的椭圆形凹坑6的深度h为(0.01~0.03)0，椭圆形凹坑6的长度(1为(0.05~0.2)0，椭圆形凹坑6的宽度e为(0.5-1) d,沿浮力块I轴向方向上的每相邻两个椭圆形凹坑6的距离s为(0.02~0.1)D，从而使洋流在隔水管柱上的分离点后移，使得低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小。如图15所示，椭圆形凹坑6以菱形阵列的形式分布在浮力块I的柱面上。
[0042]公知的在圆柱绕流中，流体横向流经圆柱时会出现分离现象，在圆柱后方形成低压区，于是圆柱前后产生压差进而形成流体对圆柱的压差阻力，而洋流流经附有浮力块的隔水管柱就可以认为是圆柱绕流，这里将附于隔水管柱上的浮力块外部轮廓近似为圆柱面。隔水管柱浮力块I上设置三角形沟槽2、圆弧形沟槽3、矩形凹坑4、圆形凹坑5和椭圆形凹坑6，即在浮力块I的柱面上布置合理的表面织构，可以使洋流在隔水管柱上的分离点后移，使得低压区范围减小，进而使得隔水管柱受到的洋流压差阻力减小。
[0043]实施例一
[0044]根据图3，浮力块I的表面结构为三角形沟槽；浮力块I的外径D取lm，这里将附于隔水管柱上的浮力块I外部轮廓近似为圆柱面，沟槽宽度d=0.007Dmm，沟槽深度h=0.005D=5mm ;在雷诺数Re=40000下分别对光滑结构和此三角形结构下的浮力块I进行水洞数值模拟，并对压差阻力系数进行追踪，待计算收敛截取稳定的一段数据做成折线图；图16为光滑结构下的压差阻力系数Cd折线图，图17为三角形沟槽结构下的压差阻力系数Cd折线图，分别求其平均值得光滑下Cd=L 141，此三角形沟槽结构下Cd=0.827 ;于是，此浮力块结构较浮力块光滑表面结构压差阻力系数Cd降低27.5%。
[0045]实施例二
[0046]根据图4，浮力块I的表面结构为圆弧形沟槽；浮力块I的外径D取lm，这里将附于隔水管柱上的浮力块I外部轮廓近似为圆柱面，沟槽宽度d=0.07D=70mm，沟槽深度h=0.0lD=1mm ;将此结构浮力块I在雷洛数Re=40000下进行水洞数值模拟；同实施例一，得到此圆弧形结构下压差阻力系数Cd折线图，如图18，求其平均值得此圆弧沟槽结构下Cd=0.872，于是，此圆弧形沟槽结构较光滑表面结构压差阻力系数Cd降低23.5%。
[0047]实施例三
[0048]根据图13，浮力块I的表面结构为菱形分的布圆形凹坑；浮力块I的外径D取lm，这里将附于隔水管柱上的浮力块I外部轮廓近似为圆柱面，凹坑宽度度d=0.1D=10mm,沟槽深度h=0.0.0lD=1mm,沿轴方向两凹坑间的距离s=0.003D=3mm ;在雷诺数Re=40000下进行水洞数值模拟，同实施例一，得到此菱形分布的圆形凹坑结构下压差阻力系数Cd折线图，如图19，求其平均值得此菱形分布的圆形凹坑结构下Cd=0.928，于是，此菱形分布的圆形凹坑结构较光滑表面结构压差阻力系数Cd降低18.7%。
【权利要求】
1.一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:它包括隔水管柱浮力块(1)，浮力块(I)的外径D为0.9144~1.397m，所述的浮力块(I)的柱面上且沿浮力块(I)的长度方向上设置有多个三角形沟槽(2)，三角形沟槽(2)沿浮力块(I)的圆周方向均匀分布，所述的三角形沟槽(2)的深度h为(0.01~0.03)D，三角形沟槽(2)的宽度d为(0.05-0.1) D，三角形沟槽(2)的数量η为15~30条。2.根据权利要求1所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的隔水管柱浮力块(I)柱面上且沿浮力块(I)的长度方向上设置有多个圆弧形沟槽(3)，圆弧形沟槽(3)沿浮力块(I)的圆周方向均匀分布，所述的圆弧形沟槽(3)的深度h为(0.01~0.05)D，圆弧形沟槽(3)的宽度d为(0.01~0.03)D，圆弧形沟槽(3)的数量η 为 15-30 条。3.根据权利要求1所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的浮力块(I)的柱面上设置有以矩形阵列分布的矩形凹坑(4)，每排矩形凹坑(4)的数量η为15~30条，所述的矩形凹坑(4)的深度h为(0.01-0.03)D，矩形凹坑(4)的宽度d为(0.05-0.1)D，矩形凹坑(4)的长度e为(0.05-0.15) D，沿隔水管柱(I)轴向方向上的每相邻两个矩形凹坑(4)的距离s为(0.02-0.1)D04.根据权利要求3所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的矩形凹坑(4)以菱形阵列的形式分布在浮力块(I)的柱面上。5.根据权利要求1所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的浮力块(I)的柱面上设置有以矩形阵列分布的圆形凹坑(5)，每排圆形凹坑(5)的数量η为15~30条，所述圆形凹坑的深度h为(0.01~0.03)D，圆形凹坑(5)的宽度d为(0.05-0.1)D,沿隔水管柱(I)轴向方向上的每相邻两个圆形凹坑(5)的距离s为(0.02-0.DD06.根据权利要求5所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的圆形凹坑(5)以菱形阵列的形式分布在浮力块(I)的柱面上。7.根据权利要求1所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的浮力块(I)的柱面上设置有以矩形阵列分布的椭圆形凹坑(6)，所述的椭圆形凹坑(6)的深度h为(0.01-0.03)D，椭圆形凹坑(6)的长度d为(0.05-0.2) D，椭圆形凹坑(6)的宽度e为(0.5~1) d，沿隔水管柱(I)轴向方向上的每相邻两个椭圆形凹坑(6)的距离 s 为(0.02-0.l)Do8.根据权利要求7所述的一种减小隔水管柱所受洋流阻力的浮力块表面结构，其特征在于:所述的椭圆形凹坑(6)以菱形阵列的形式分布在浮力块(I)的柱面上。
【文档编号】E21B17-01GK204283235SQ201420665936
【发明者】王国荣, 廖崇吉, 张敏, 胡刚 [申请人]西南石油大学