一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構的製作方法

2023-05-09 09:30:31

一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，它包括隔水管柱浮力塊（1），浮力塊（1）的外徑D為0.9144~1.397m，浮力塊（1）的柱面上且沿浮力塊的長度方向上設置有多個三角形溝槽（2），三角形溝槽（2）沿浮力塊（1）的圓周方向均勻分布，三角形溝槽（2）的深度h為(0.01~0.03)D，三角形溝槽（2）的寬度d為（0.05~0.1）D，三角形溝槽（2）的數量n為15~30條。本發明的有益效果是：具有減小隔水管柱所受洋流阻力，從而減小隔水管柱端部連接支反力、減弱隔水管柱渦激振動、延長隔水管柱使用壽命且無需在隔水管柱上額外添加構件的特點。
【專利說明】一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構

【技術領域】
[0001]本發明涉及減小洋流對隔水管柱的阻力的【技術領域】，特別是一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構。

【背景技術】
[0002]隨著海洋油氣開發由淺海向1000-3000米深海邁進，隔水管柱作為海洋油氣開發的重要通道其長度也大大增長，相應在如此大長度下其所受到的繞流阻力作用也越發不可忽視，特別是對於隔水管柱端部連接支反力的增大以及渦激振動增強。繞流造成的巨大阻力必將對給水管的穩定性、安全性以及服役年限造成不利影響。因此，對於深水隔水管柱繞流減阻控制的研究顯得至關重要。
[0003]對於隔水管柱減阻方法如今已有較多研究，歸結起來主要就是:在隔水管柱周圍添加分離板或分離棒，在隔水管柱上添加螺旋條紋以及在隔水管柱外部添加有孔罩等，相應的限制隔水管柱擾流分離、幹擾隔水管柱展向繞流相關性及影響表面剪切層的產生等以達到對隔水管柱繞流進行減阻的目的。它們都有一個共同缺點就是都需要在隔水管柱上額外添加構件，這對於處於複雜海洋環境工況下的隔水管柱無論從自重或是結構緊湊性上都是十分不利的。
[0004]非平表面減阻技術已受到學者廣泛關注，特別是在圓柱繞流方面，國外學者已經通過實驗證實粗糙的圓柱表面或是溝槽凹坑可以減小圓柱繞流中圓柱所受到到的流體阻力。現實生活能夠非常明顯看到非平表面減阻技術運用的例子就是對於高爾夫球上的設計。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於運用非平表面減阻技術，克服現有技術的缺點，提供一種具有減小隔水管柱所受洋流阻力且無需在隔水管柱上額外添加構件的浮力塊表面結構，實現隔水管柱端部支反力的減小以及渦激振動的減弱，提高隔水管柱可靠性，延長隔水管柱使用壽命。
[0006]由於非平表面減阻技術在高爾夫球減阻上的成功運用，本發明將非平表面減阻技術運用到對隔水管的減阻上。又高爾夫球表面凹坑尺寸設計:凹坑深度約為0.01倍高爾夫球直徑和凹坑的大小約為10倍凹坑深度，由此為本發明中非平表面的設計提供依據。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，浮力塊的外徑0為0.9144-1.397%這裡將附於隔水管柱上的浮力塊外部輪廓近似為圓柱面，所述的浮力塊的柱面上且沿浮力塊的長度方向上設置有多個三角形溝槽，三角形溝槽沿隔水管柱的圓周方向均勻分布，所述的三角形溝槽的深度卜為(0.01-0.03)0，三角形溝槽的寬度(1為(0.05-0.1)0，三角形溝槽的數量II為15~30條。
[0008]所述的浮力塊的柱面上且沿浮力塊的長度方向上設置有多個圓弧形溝槽，圓弧形溝槽沿浮力塊的圓周方向均勻分布，所述的圓弧形溝槽的深度卜為(0.01-0.05)0，圓弧形溝槽的寬度d為(0.01-0.03) D，圓弧形溝槽的數量η為15~30條。
[0009]所述的浮力塊的柱面上設置有以矩形陣列分布的矩形凹坑，每排矩形凹坑的數量η為15~30條，所述的矩形凹坑的深度h為(0.01-0.03)D，矩形凹坑的寬度d為(0.05-0.1)D，矩形凹坑的長度e為(0.05-0.15)D，沿浮力塊軸向方向上的每相鄰兩個矩形凹坑的距離s 為(0.02-0.DD0
[0010]所述的矩形凹坑以菱形陣列的形式分布在浮力塊的柱面上。
[0011]所述的浮力塊的柱面上設置有以矩形陣列分布的圓形凹坑，每排圓形凹坑的數量η為15~30條，所述圓形凹坑的深度h為(0.01~0.03)D，圓形凹坑的寬度d為(0.05~0.1)D，沿浮力塊軸向方向上的每相鄰兩個圓形凹坑的距離s為(0.02~0.1)D0
[0012]所述的圓形凹坑以菱形陣列的形式分布在浮力塊的柱面上。
[0013]所述的浮力塊的柱面上設置有以矩形陣列分布的橢圓形凹坑，所述的橢圓形凹坑的深度h為(0.01-0.03)D,橢圓形凹坑的長度d為(0.05-0.2) D，橢圓形凹坑的寬度e為(0.5~1) d，沿浮力塊軸向方向上的每相鄰兩個橢圓形凹坑的距離s為(0.02-0.DD0
[0014]所述的橢圓形凹坑以菱形陣列的形式分布在浮力塊的柱面上。
[0015]本發明具有以下優點:本發明在浮力塊的柱面上布置有三角形溝槽，三角形溝槽的深度h為(0.01-0.03)D，寬度d為(0.05-0.1) D，數量η為15~30條，當洋流橫向流經隔水管柱時，使得洋流在隔水管柱上的分離點後移，進而隔水管柱後部低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小，能夠有效較小隔水管柱所受洋流阻力，減小隔水管柱端部連接支反力、減弱隔水管柱渦激振動，此外，無需在隔水管柱上添加額外鋪助構件，這無論是在隔水管柱自重方面或是隔水管柱緊湊性方面都是十分有利的。以上這些優點對所處複雜海洋環境的隔水管柱的可靠性、使用年限都大有裨益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例一的結構示意圖；
圖2為圖1的俯視圖；
圖3為圖2的A-A剖視圖；
圖4為本發明實施例二的結構示意圖；
圖5為圖4的俯視圖；
圖6為圖5的B-B剖視圖；
圖7為本發明實施例三的結構示意圖；
圖8為圖7的俯視圖；
圖9為圖7的C-C剖視圖；
圖10為矩形凹坑以菱形陣列分布的結構示意圖；
圖11為本發明實施例四的結構示意圖；
圖12為圖11的D-D剖視圖；
圖13為圓形凹坑以菱形陣列分布的結構示意圖；
圖14為本發明實施例五的結構示意圖；
圖15為橢圓形凹坑以菱形陣列分布的結構示意圖；
圖16為光滑結構浮力塊阻力係數Cd折線圖； 圖17為三角形溝槽結構浮力塊阻力係數折線圖；
圖18為圓弧形溝槽結構浮力塊阻力係數折線圖；
圖19為菱形分布的圓形凹坑結構浮力塊阻力係數折線圖；
圖中，1-浮力塊，2-三角形溝槽,3-圓弧形溝槽,4-矩形凹坑，5-圓形凹坑,6-橢圓形凹坑。

【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明做進一步的描述，本發明的保護範圍不局限於以下所述: 如圖1-3所示，一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，它包括隔水管柱浮力塊1，浮力塊1的外徑0為0.91444.397%這裡將附於隔水管柱上的浮力塊外部輪廓近似為圓柱面，所述的浮力塊1的柱面上且沿浮力塊1的長度方向上設置有多個三角形溝槽2，三角形溝槽2沿隔水管柱的圓周方向均勻分布，所述的三角形溝槽2的深度1！為(0.01-0.03)0,三角形溝槽2的寬度(1為(0.05-0.1 )0,三角形溝槽2的數量II為15-30條，從而使洋流在隔水管柱上的分離點後移，使得低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小。
[0018]如圖4-6所示，浮力塊1的柱面上且沿浮力塊1的長度方向上設置有多個圓弧形溝槽3，圓弧形溝槽3沿浮力塊1的圓周方向均勻分布，所述的圓弧形溝槽3的深度1！為(0.01-0.05)0，圓弧形溝槽3的寬度(1為(0.01-0.03)0，圓弧形溝槽3的數量II為15-30條，從而使洋流在隔水管柱上的分離點後移，使得低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小。
[0019]如圖7-9所示，浮力塊1的柱面上設置有以矩形陣列分布的矩形凹坑4，每排矩形凹坑4的數量II為15~30條，所述的矩形凹坑4的深度卜為(0.01-0.03)0，矩形凹坑4的寬度(1為(0.05-0.1)0，矩形凹坑4的長度6為(0.05-0.15) 0，沿浮力塊1軸向方向上的每相鄰兩個矩形凹坑4的距離8為(0.02-0.1)0，從而使洋流在隔水管柱上的分離點後移，使得低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小。如圖10所示，矩形凹坑4還可以以菱形陣列的形式分布在浮力塊1的柱面上。
[0020]如圖11和圖12，浮力塊1的柱面上設置有以矩形陣列分布的圓形凹坑5，每排圓形凹坑5的數量II為15~30條，所述圓形凹坑的深度11為(0.01-0.03)0，圓形凹坑5的寬度(1為(0.05-0.1)0，沿浮力塊1軸向方向上的每相鄰兩個圓形凹坑5的距離8為(0.02-0.1)0，從而使洋流在隔水管柱上的分離點後移，使得低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小。如圖13所示，圓形凹坑5以菱形陣列的形式分布在浮力塊1的柱面上。
[0021]如圖14所示，浮力塊1的柱面上設置有以矩形陣列分布的橢圓形凹坑6，所述的橢圓形凹坑6的深度卜為(0.014.03)0，橢圓形凹坑6的長度(1為(0.054.2)0，橢圓形凹坑6的寬度6為(0.5-1)山沿浮力塊1軸向方向上的每相鄰兩個橢圓形凹坑6的距離8為(0.02-0.1)0，從而使洋流在隔水管柱上的分離點後移，使得低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小。如圖15所示，橢圓形凹坑6以菱形陣列的形式分布在浮力塊1的柱面上。
[0022]公知的在圓柱繞流中，流體橫向流經圓柱時會出現分離現象，在圓柱後方形成低壓區，於是圓柱前後產生壓差進而形成流體對圓柱的壓差阻力，而洋流流經附有浮力塊的隔水管柱就可以認為是圓柱繞流，這裡將附於隔水管柱上的浮力塊外部輪廓近似為圓柱面。隔水管柱浮力塊I上設置三角形溝槽2、圓弧形溝槽3、矩形凹坑4、圓形凹坑5和橢圓形凹坑6，即在浮力塊I的柱面上布置合理的表面織構，可以使洋流在隔水管柱上的分離點後移，使得低壓區範圍減小，進而使得隔水管柱受到的洋流壓差阻力減小。
[0023]實施例一
根據圖3，浮力塊I的表面結構為三角形溝槽；浮力塊I的外徑D取lm，這裡將附於隔水管柱上的浮力塊I外部輪廓近似為圓柱面，溝槽寬度d=0.007Dmm，溝槽深度h=0.005D=5mm ；在雷諾數Re=40000下分別對光滑結構和此三角形結構下的浮力塊I進行水洞數值模擬，並對壓差阻力係數進行追蹤，待計算收斂截取穩定的一段數據做成折線圖；圖16為光滑結構下的壓差阻力係數Cd折線圖，圖17為三角形溝槽結構下的壓差阻力係數Cd折線圖，分別求其平均值得光滑下Cd=L 141，此三角形溝槽結構下Cd=0.827 ;於是，此浮力塊結構較浮力塊光滑表面結構壓差阻力係數Cd降低27.5%。
[0024]實施例二
根據圖4，浮力塊I的表面結構為圓弧形溝槽；浮力塊I的外徑D取lm，這裡將附於隔水管柱上的浮力塊I外部輪廓近似為圓柱面，溝槽寬度d=0.07D=70mm,溝槽深度h=0.0lD=1mm ;將此結構浮力塊I在雷洛數Re=40000下進行水洞數值模擬；同實施例一，得到此圓弧形結構下壓差阻力係數Cd折線圖，如圖18，求其平均值得此圓弧溝槽結構下Cd=0.872，於是，此圓弧形溝槽結構較光滑表面結構壓差阻力係數Cd降低23.5%。
[0025]實施例三
根據圖13，浮力塊I的表面結構為菱形分的布圓形凹坑；浮力塊I的外徑D取lm，這裡將附於隔水管柱上的浮力塊I外部輪廓近似為圓柱面，凹坑寬度度d=0.1D=10mm,溝槽深度h=0.0.0lD=1mm,沿軸方向兩凹坑間的距離s=0.003D=3mm ;在雷諾數Re=40000下進行水洞數值模擬，同實施例一，得到此菱形分布的圓形凹坑結構下壓差阻力係數Cd折線圖，如圖19，求其平均值得此菱形分布的圓形凹坑結構下Cd=0.928，於是，此菱形分布的圓形凹坑結構較光滑表面結構壓差阻力係數Cd降低18.7%。
【權利要求】
1.一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:它包括隔水管柱浮力塊(1)，浮力塊(I)的外徑D為0.9144~1.397m，所述的浮力塊(I)的柱面上且沿浮力塊(I)的長度方向上設置有多個三角形溝槽(2)，三角形溝槽(2)沿浮力塊(I)的圓周方向均勻分布，所述的三角形溝槽(2)的深度h為(0.01~0.03)D，三角形溝槽(2)的寬度d為(0.05-0.1) D，三角形溝槽(2)的數量η為15~30條。
2.根據權利要求1所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:所述的隔水管柱浮力塊(I)柱面上且沿浮力塊(I)的長度方向上設置有多個圓弧形溝槽(3)，圓弧形溝槽(3)沿浮力塊(I)的圓周方向均勻分布，所述的圓弧形溝槽(3)的深度h為(0.01~0.05)D，圓弧形溝槽(3)的寬度d為(0.01~0.03)D，圓弧形溝槽(3)的數量η 為 15-30 條。
3.根據權利要求1所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:所述的浮力塊(I)的柱面上設置有以矩形陣列分布的矩形凹坑(4)，每排矩形凹坑(4)的數量η為15~30條，所述的矩形凹坑(4)的深度h為(0.01-0.03)D，矩形凹坑(4)的寬度d為(0.05-0.1)D，矩形凹坑(4)的長度e為(0.05-0.15) D，沿隔水管柱(I)軸向方向上的每相鄰兩個矩形凹坑(4)的距離s為(0.02-0.1)D0
4.根據權利要求3所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:所述的矩形凹坑(4)以菱形陣列的形式分布在浮力塊(I)的柱面上。
5.根據權利要求1所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:所述的浮力塊(I)的柱面上設置有以矩形陣列分布的圓形凹坑(5)，每排圓形凹坑(5)的數量η為15~30條，所述圓形凹坑的深度h為(0.01~0.03)D，圓形凹坑(5)的寬度d為(0.05-0.1)D,沿隔水管柱(I)軸向方向上的每相鄰兩個圓形凹坑(5)的距離s為(0.02-0.DD0
6.根據權利要求5所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:所述的圓形凹坑(5)以菱形陣列的形式分布在浮力塊(I)的柱面上。
7.根據權利要求1所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的浮力塊表面結構，其特徵在於:所述的浮力塊(I)的柱面上設置有以矩形陣列分布的橢圓形凹坑(6)，所述的橢圓形凹坑(6)的深度h為(0.01-0.03)D，橢圓形凹坑(6)的長度d為(0.05-0.2) D，橢圓形凹坑(6)的寬度e為(0.5~1) d，沿隔水管柱(I)軸向方向上的每相鄰兩個橢圓形凹坑(6)的距離 s 為(0.02-0.l)Do
8.根據權利要求7所述的一種減小隔水管柱所受洋流阻力的結構，其特徵在於:所述的橢圓形凹坑(6)以菱形陣列的形式分布在浮力塊(I)的柱面上。
【文檔編號】E21B17/01GK104453730SQ201410626829
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】王國榮, 廖崇吉, 劉清友, 周守衛, 毛良傑, 張敏, 胡剛 申請人:西南石油大學