2020年，十九屆五中全會提出“發(fā)展海洋經(jīng)濟，建設(shè)海洋強國”。我國海域面積約300萬平方公里，擁有廣泛的海洋資源。隨著國家的快速發(fā)展和能源需求的不斷增加，加速開發(fā)海洋資源已經(jīng)成為未來能源戰(zhàn)略的重中之重。在海洋資源開發(fā)中，特別是油氣和風(fēng)能資源開發(fā)領(lǐng)域，圓柱型結(jié)構(gòu)被大量應(yīng)用。如半潛式海洋平臺、張力腿海洋平臺的樁腿結(jié)構(gòu)為圓柱型結(jié)構(gòu)，而Spar海洋平臺、Spar型浮式風(fēng)機、Monocolumn海洋平臺的主體自身就是一個漂浮的圓柱型結(jié)構(gòu)。

流體在經(jīng)過圓柱等鈍體結(jié)構(gòu)時，會在其下游產(chǎn)生交替泄放的旋渦，形成激振力。如果結(jié)構(gòu)為彈性支撐，在此激勵作用下，會發(fā)生周期性振動，稱為渦激振動（Vortex Induced Vibrations，VIV）。2020年虎門大橋異常抖動事件、1940年美國塔科馬大橋風(fēng)毀事件，皆是由于風(fēng)致渦激振動。在海洋工程中，渦激振動的研究主要集中在細(xì)、長、柔性結(jié)構(gòu)，如立管、海底管線等。隨著近十年來立柱型海洋浮式結(jié)構(gòu)物的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)其在海流作用下，下游同樣會生成一定頻率的旋渦泄放并引發(fā)獨特的運動現(xiàn)象。此外，其較低的長徑比、較高的阻尼比、整個結(jié)構(gòu)的剛性特征以及漂浮于水面的水動力性能，使得相對于立管、海底管線等大長徑比柔性結(jié)構(gòu)的渦激振動具有更大的運動周期與幅值。為了加以區(qū)別，將此特有的運動現(xiàn)象稱為渦激運動（Vortex Induced Motions，VIM）。

自20世紀(jì)90年代第一座Spar海洋平臺投產(chǎn)使用以來，已多次出現(xiàn)渦激運動現(xiàn)象。2001年，Genesis Spar在其作業(yè)海域多次發(fā)生大幅度的渦激運動響應(yīng)，極大地超出了設(shè)計預(yù)報值。針對我國南海油田特點提出的新概念深水鉆采儲運平臺（Spar Drilling Production Storage Offloading，SDPSO），采用深吃水立柱結(jié)構(gòu)，同樣存在著渦激運動幅值偏大的問題，對系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)的疲勞壽命帶來不利影響。半潛平臺、張力腿平臺等多圓柱型浮式結(jié)構(gòu)物亦會發(fā)生渦激運動問題。如果忽略渦激運動，僅考慮一階六自由度運動和二階水平運動，那么疲勞分析及錨鏈張力數(shù)據(jù)均偏小。

本書基于作者前期的研究成果，對浮式結(jié)構(gòu)的渦激運動問題進(jìn)行詳細(xì)討論：首先介紹了海洋資源種類，重點介紹了油氣資源和風(fēng)能資源開發(fā)中應(yīng)用的浮式海洋結(jié)構(gòu)物；其次，從渦激運動問題的提出切入，闡述了相關(guān)基礎(chǔ)理論，對比圓柱繞流、強迫運動、渦激運動的異同點；再次，采用數(shù)值模擬和模型實驗相結(jié)合的方法，針對浮式單圓柱、多圓柱海洋結(jié)構(gòu)物，從渦激受力、運動幅值、運動頻率、運動軌跡、渦泄模式等多個方面研究渦激運動特征；最后，提出考慮尾流影響的張力腿平臺渦激力計算模型，并對渦激運動的抑制方法進(jìn)行了總結(jié)。

本書在寫作過程中，得到了許多老師、領(lǐng)導(dǎo)、同學(xué)、同事、朋友、學(xué)生的大力幫助和支持，在此表示由衷的感謝！

由于時間倉促和作者水平有限，書中難免有錯誤和不當(dāng)之處，敬請讀者批評指正。

作 者

2021年12月

前言
第1章 海洋資源開發(fā)現(xiàn)狀 1
1.1 海洋資源種類 1
1.1.1 生物資源 1
1.1.2 礦物資源 2
1.1.3 海洋能資源 2
1.1.4 化學(xué)資源 3
1.2 海洋油氣資源 3
1.2.1 海洋油氣資源開發(fā)的現(xiàn)狀 3
1.2.2 海洋油氣資源分布特征 4
1.2.3 世界海洋重點盆地勘探與開發(fā)現(xiàn)狀 5
1.2.4 海洋油氣資源勘探技術(shù)特征及常見問題 5
1.2.5 海洋油氣資源開發(fā)技術(shù) 7
1.2.6 海洋油氣資源開發(fā)對環(huán)境的影響 8
1.2.7 海洋油氣資源未來發(fā)展方向 9
1.3 海洋能資源 10
1.3.1 海洋能 10
1.3.2 海洋能的應(yīng)用 10
1.3.3 海洋能的應(yīng)用原理 11
1.3.4 海洋能開發(fā)利用對環(huán)境的影響 13
1.3.5 海洋能對環(huán)境影響的對策 13
1.3.6 海洋能發(fā)展趨勢展望 14
1.4 本章小結(jié) 15
參考文獻(xiàn) 15
第2章 浮式海洋油氣裝備 17
2.1 概述 17
2.1.1 固定式平臺 17
2.1.2 移動式平臺 19
2.2 半潛式平臺 24
2.2.1 發(fā)展歷程 24
2.2.2 總體結(jié)構(gòu)特點 26
2.2.3 半潛式平臺的水動力性能 27
2.3 張力腿平臺 27
2.3.1 發(fā)展歷程 27
2.3.2 總體結(jié)構(gòu)特點 28
2.3.3 張力腿平臺的水動力性能 29
2.4 Spar平臺 29
2.4.1 發(fā)展歷程 29
2.4.2 總體結(jié)構(gòu)特點 31
2.4.3 Spar平臺的水動力性能 33
2.5 新型單圓柱型海洋平臺 33
2.5.1 國外新型單圓柱型海洋平臺 33
2.5.2 國內(nèi)新型單圓柱型海洋平臺 34
2.6 本章小結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 35
第3章 浮式海洋風(fēng)電裝備 38
3.1 Spar型浮式風(fēng)力發(fā)電機 39
3.1.1 Spar型浮式風(fēng)力發(fā)電機概念 39
3.1.2 OC3-Hywind Spar型浮式風(fēng)力發(fā)電機 40
3.1.3 Spar型浮式風(fēng)力發(fā)電機研究現(xiàn)狀 43
3.2 半潛式浮式風(fēng)力發(fā)電機 44
3.2.1 半潛式浮式風(fēng)力發(fā)電機概念 44
3.2.2 Tri-floater 半潛式浮式風(fēng)機 45
3.2.3 半潛式浮式風(fēng)力發(fā)電機研究現(xiàn)狀 47
3.3 張力腿式浮式風(fēng)力發(fā)電機 48
3.3.1 張力腿式浮式風(fēng)力發(fā)電機概念 48
3.3.2 UMAINE-TLP 浮式風(fēng)力發(fā)電機 49
3.3.3 TLP浮式風(fēng)力發(fā)電機動力學(xué)研究現(xiàn)狀 52
3.4 本章小結(jié) 53
參考文獻(xiàn) 53
第4章 圓柱體渦激運動問題的提出 57
4.1 渦激振動 57
4.1.1 渦激振動發(fā)生的原因 57
4.1.2 渦激振動的工程實用分析法 58
4.1.3 防止和抑制渦激振動的方法 59
4.2 渦激運動 61
4.2.1 引起渦激運動的海域環(huán)境 61
4.2.2 渦激運動響應(yīng)特征 62
4.3 渦激運動研究方法 62
4.4 影響圓柱渦激特性的因素 62
4.5 浮式圓柱型海洋結(jié)構(gòu)物渦激運動 65
4.6 本章小結(jié) 68
參考文獻(xiàn) 68
第5章 渦激運動基本理論 74
5.1 流體力學(xué)基礎(chǔ) 74
5.1.1 基本概念 74
5.1.2 流體力學(xué)基本方程 79
5.2 渦激運動相關(guān)參數(shù) 81
5.2.1 流體類參數(shù) 81
5.2.2 結(jié)構(gòu)類參數(shù) 82
5.2.3 流固耦合類參數(shù) 83
5.3 邊界層理論 83
5.3.1 邊界層的形成 84
5.3.2 邊界層基本方程 84
5.3.3 邊界層分離 86
5.4 計算流體力學(xué)基礎(chǔ) 86
5.4.1 湍流數(shù)值計算方法 87
5.4.2 動網(wǎng)格技術(shù) 89
5.4.3 UDF程序嵌入 90
5.5 圓柱繞流及渦激振動理論 91
5.5.1 圓柱繞流基本理論 91
5.5.2 柱體渦激振動分析方法 92
5.6 本章小結(jié) 93
參考文獻(xiàn) 93
第6章 圓柱繞流與強迫運動 96
6.1 網(wǎng)格劃分與時間步長測試 96
6.1.1 網(wǎng)格劃分 96
6.1.2 時間步長對比 98
6.2 圓柱繞流的數(shù)值模擬分析 99
6.2.1 圓柱繞流響應(yīng)特性 99
6.2.2 尾流特性 105
6.3 強迫運動圓柱的數(shù)值模擬分析 106
6.3.1 參數(shù)設(shè)置 107
6.3.2 旋渦脫落模式 107
6.4 本章小結(jié) 108
參考文獻(xiàn) 109
第7章 浮式單圓柱型海洋結(jié)構(gòu)物渦激運動實驗研究 110
7.1 概述 110
7.2 實驗描述 111
7.2.1 研究對象 111
7.2.2 實驗設(shè)備及儀器 112
7.2.3 靜水自由衰減實驗 115
7.2.4 實驗工況 117
7.3 實驗結(jié)果與分析 117
7.3.1 受力分析 117
7.3.2 渦激運動響應(yīng)分析 118
7.3.3 影響浮式圓柱渦激運動實驗的主要因素 125
7.3.4 長徑比變化對渦激運動的影響 127
7.4 本章小結(jié) 130
參考文獻(xiàn) 131
第8章 浮式多圓柱型海洋結(jié)構(gòu)物渦激運動實驗研究 133
8.1 概述 133
8.2 實驗簡介 134
8.3 模型實驗方案 138
8.3.1 實驗?zāi)Ｐ?138
8.3.2 坐標(biāo)系與系泊方案 140
8.3.3 實驗內(nèi)容 141
8.3.4 模型靜水和渦激運動實驗 142
8.4 實驗結(jié)果與分析 144
8.4.1 渦激運動響應(yīng) 144
8.4.2 流向?qū)�VIM的影響 153
8.4.3 立柱截面形狀對VIM的影響 156
8.5 本章小結(jié) 160
參考文獻(xiàn) 161
第9章 浮式單圓柱型海洋結(jié)構(gòu)物渦激運動數(shù)值模擬研究 164
9.1 引言 164
9.2 數(shù)值計算模型 166
9.2.1 渦激運動求解過程 166
9.2.2 計算網(wǎng)格測試 170
9.2.3 計算工況 171
9.3 數(shù)值模擬可靠性驗證 172
9.3.1 振幅比較 172
9.3.2 軌跡比較 173
9.3.3 渦泄模式比較 174
9.4 浮式圓柱渦激運動的數(shù)值模擬 176
9.4.1 渦激運動響應(yīng) 177
9.4.2 無量綱位移、升力及拖曳力系數(shù)時間歷程曲線 179
9.4.3 力與位移間相位差 181
9.4.4 渦激運動響應(yīng)譜與渦泄圖 183
9.4.5 順流向平衡位置 187
9.4.6 與實驗結(jié)果對比 188
9.5 質(zhì)量比對圓柱渦激特性的影響 189
9.5.1 渦激運動響應(yīng) 189
9.5.2 運動軌跡與順流向平衡位置 191
9.6 本章小結(jié) 193
參考文獻(xiàn) 194
第10章 浮式多圓柱型海洋結(jié)構(gòu)物渦激運動數(shù)值模擬研究 196
10.1 計算模型簡介 196
10.2 TLP渦激運動特性 198
10.2.1 橫流向渦激運動特性 199
10.2.2 順流向渦激運動特性 201
10.2.3 渦激運動軌跡 203
10.2.4 渦激力 205
10.3 流向角對渦激運動特性的影響 206
10.4 渦激運動的耦合影響 208
10.5 與實驗結(jié)果的對比 209
10.6 本章小結(jié) 212
參考文獻(xiàn) 213
第11章 考慮尾流影響的TLP渦激力計算模型 214
11.1 概述 214
11.2 考慮尾流影響的渦激升力和拖曳力計算模型 215
11.2.1 渦激升力模型的提出 215
11.2.2 拖曳力模型的提出 216
11.3 渦激力模型的計算 218
11.4 TLP渦激運動的數(shù)值計算 219
11.4.1 順流向渦激運動響應(yīng) 219
11.4.2 橫流向渦激運動響應(yīng) 222
11.4.3 考慮尾流影響對渦激運動響應(yīng)的影響 224
11.5 本章小結(jié) 225
參考文獻(xiàn) 225
第12章 浮式圓柱渦激運動抑制方法實驗研究 226
12.1 渦激運動抑制方法 226
12.2 浮式圓柱抑渦實驗簡介 228
12.2.1 實驗?zāi)Ｐ?228
12.2.2 實驗工況 229
12.3 螺旋側(cè)板對渦激運動響應(yīng)的影響 230
12.3.1 渦激運動響應(yīng)幅值 230
12.3.2 渦激運動響應(yīng)時歷曲線 231
12.4 螺旋側(cè)板對渦激運動頻率的影響 233
12.5 螺旋側(cè)板對渦激運動軌跡的影響 235
12.6 本章小結(jié) 236
參考文獻(xiàn) 237

1. 高等教育多維評價體系構(gòu)建與高質(zhì)量發(fā)展研究 [張妍 著]
2. 航海類院校體育教育教學(xué)研究 [張利超 李寧 著]
3. 新時代背景下我國職業(yè)教育產(chǎn)教融合長效機制建設(shè)研究 [王玉賢 著]
4. 產(chǎn)教融合視角高校體育專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建研究 [楊柳青 葉華兵 著]
5. 高職院校“德技并修·三育協(xié)同”的育人模式研究 [童世華 鄧丹楓 彭韓柳依 周葉]
6. 涼山脫貧地區(qū)鄉(xiāng)村治理研究 [余瀅 著]
7. 中國—東盟競技體育文化共同體研究 [鄭花 著]
8. 電子認(rèn)證技術(shù)可信身份研究 [郭亓元 著]
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10. 基于深度學(xué)習(xí)的人體行為識別算法研究 [陳華鋒 著]
11. 粒子群算法在優(yōu)化選取問題中的應(yīng)用研究 [尹浩 著]
12. 風(fēng)光水多能互補優(yōu)化調(diào)度及風(fēng)險分析研究 [劉為鋒 郭旭寧 邢西剛 馬彪 ]
13. 海綿城市雨水花園可持續(xù)發(fā)展設(shè)計研究 [何茜 著]
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15. 職前教師職業(yè)倫理教育研究—以云南為例 [侯阿冰 著]
16. 氧化石墨烯在頁巖陶粒高強輕質(zhì)混凝土中的應(yīng)用研究 [洪曉江 著]
17. 應(yīng)用型高校通識教育課程思政教學(xué)設(shè)計研究 [唐敬偉 江娜 著]
18. 新形勢下全球價值鏈視角的地方汽車產(chǎn)業(yè)集群升級實證研究 [張兆英 著]
19. 化工分離技術(shù)與優(yōu)化策略研究 [王婷婷 著]
20. 廣西瑤族傳統(tǒng)服飾文化研究 [容婷 著]
21. 南陽漢代畫像石造型語言研究 [龐國華 著]
22. 多維視域下的高校籃球教學(xué)創(chuàng)新研究 [張利超 李寧 著]
23. 三峽梯級電站水資源決策支持系統(tǒng)研究與開發(fā) [姚華明 潘紅忠 湯正]
24. 農(nóng)村新型社區(qū)移民的社會適應(yīng)性問題研究 [董洪清 蔡昌艷 馬衍陽 徐學(xué)英]
25. 第四代系統(tǒng)論：全息系統(tǒng)論—全息系統(tǒng)的存在論、認(rèn)識論和方法論 [高展 著]
26. 海上風(fēng)電工程專利導(dǎo)航與知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險管理研究 [戚海峰 賈獻(xiàn)林 許丹海　著]
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29. 黃河流域非遺衍生品傳播與經(jīng)濟開發(fā)協(xié)同發(fā)展研究 [畢雪燕 趙爽 著]
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