2020年，十九屆五中全會提出“發展海洋經濟，建設海洋強國”。我國海域面積約300萬平方公里，擁有廣泛的海洋資源。隨著國家的快速發展和能源需求的不斷增加，加速開發海洋資源已經成為未來能源戰略的重中之重。在海洋資源開發中，特別是油氣和風能資源開發領域，圓柱型結構被大量應用。如半潛式海洋平臺、張力腿海洋平臺的樁腿結構為圓柱型結構，而Spar海洋平臺、Spar型浮式風機、Monocolumn海洋平臺的主體自身就是一個漂浮的圓柱型結構。

流體在經過圓柱等鈍體結構時，會在其下游產生交替泄放的旋渦，形成激振力。如果結構為彈性支撐，在此激勵作用下，會發生周期性振動，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毀事件，皆是由于風致渦激振動。在海洋工程中，渦激振動的研究主要集中在細、長、柔性結構，如立管、海底管線等。隨著近十年來立柱型海洋浮式結構物的廣泛應用，人們發現其在海流作用下，下游同樣會生成一定頻率的旋渦泄放并引發獨特的運動現象。此外，其較低的長徑比、較高的阻尼比、整個結構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構的渦激振動具有更大的運動周期與幅值。為了加以區別，將此特有的運動現象稱為渦激運動（Vortex Induced Motions，VIM）。

自20世紀90年代第一座Spar海洋平臺投產使用以來，已多次出現渦激運動現象。2001年，Genesis Spar在其作業海域多次發生大幅度的渦激運動響應，極大地超出了設計預報值。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），采用深吃水立柱結構，同樣存在著渦激運動幅值偏大的問題，對系泊系統和立管系統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構物亦會發生渦激運動問題。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據均偏小。

本書基于作者前期的研究成果，對浮式結構的渦激運動問題進行詳細討論：首先介紹了海洋資源種類，重點介紹了油氣資源和風能資源開發中應用的浮式海洋結構物；其次，從渦激運動問題的提出切入，闡述了相關基礎理論，對比圓柱繞流、強迫運動、渦激運動的異同點；再次，采用數值模擬和模型實驗相結合的方法，針對浮式單圓柱、多圓柱海洋結構物，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行了總結。

本書在寫作過程中，得到了許多老師、領導、同學、同事、朋友、學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 海洋資源開發現狀 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 化學資源 3
1.2 海洋油氣資源 3
1.2.1 海洋油氣資源開發的現狀 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現狀 5
1.2.4 海洋油氣資源勘探技術特征及常見問題 5
1.2.5 海洋油氣資源開發技術 7
1.2.6 海洋油氣資源開發對環境的影響 8
1.2.7 海洋油氣資源未來發展方向 9
1.3 海洋能資源 10
1.3.1 海洋能 10
1.3.2 海洋能的應用 10
1.3.3 海洋能的應用原理 11
1.3.4 海洋能開發利用對環境的影響 13
1.3.5 海洋能對環境影響的對策 13
1.3.6 海洋能發展趨勢展望 14
1.4 本章小結 15
參考文獻 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 發展歷程 24
2.2.2 總體結構特點 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 發展歷程 27
2.3.2 總體結構特點 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 發展歷程 29
2.4.2 總體結構特點 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 國內新型單圓柱型海洋平臺 34
2.6 本章小結 35
參考文獻 35
第3章 浮式海洋風電裝備 38
3.1 Spar型浮式風力發電機 39
3.1.1 Spar型浮式風力發電機概念 39
3.1.2 OC3-Hywind Spar型浮式風力發電機 40
3.1.3 Spar型浮式風力發電機研究現狀 43
3.2 半潛式浮式風力發電機 44
3.2.1 半潛式浮式風力發電機概念 44
3.2.2 Tri-floater 半潛式浮式風機 45
3.2.3 半潛式浮式風力發電機研究現狀 47
3.3 張力腿式浮式風力發電機 48
3.3.1 張力腿式浮式風力發電機概念 48
3.3.2 UMAINE-TLP 浮式風力發電機 49
3.3.3 TLP浮式風力發電機動力學研究現狀 52
3.4 本章小結 53
參考文獻 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境 61
4.2.2 渦激運動響應特征 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 浮式圓柱型海洋結構物渦激運動 65
4.6 本章小結 68
參考文獻 68
第5章 渦激運動基本理論 74
5.1 流體力學基礎 74
5.1.1 基本概念 74
5.1.2 流體力學基本方程 79
5.2 渦激運動相關參數 81
5.2.1 流體類參數 81
5.2.2 結構類參數 82
5.2.3 流固耦合類參數 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 計算流體力學基礎 86
5.4.1 湍流數值計算方法 87
5.4.2 動網格技術 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 93
參考文獻 93
第6章 圓柱繞流與強迫運動 96
6.1 網格劃分與時間步長測試 96
6.1.1 網格劃分 96
6.1.2 時間步長對比 98
6.2 圓柱繞流的數值模擬分析 99
6.2.1 圓柱繞流響應特性 99
6.2.2 尾流特性 105
6.3 強迫運動圓柱的數值模擬分析 106
6.3.1 參數設置 107
6.3.2 旋渦脫落模式 107
6.4 本章小結 108
參考文獻 109
第7章 浮式單圓柱型海洋結構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 實驗結果與分析 117
7.3.1 受力分析 117
7.3.2 渦激運動響應分析 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 130
參考文獻 131
第8章 浮式多圓柱型海洋結構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 實驗模型 138
8.3.2 坐標系與系泊方案 140
8.3.3 實驗內容 141
8.3.4 模型靜水和渦激運動實驗 142
8.4 實驗結果與分析 144
8.4.1 渦激運動響應 144
8.4.2 流向對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 160
參考文獻 161
第9章 浮式單圓柱型海洋結構物渦激運動數值模擬研究 164
9.1 引言 164
9.2 數值計算模型 166
9.2.1 渦激運動求解過程 166
9.2.2 計算網格測試 170
9.2.3 計算工況 171
9.3 數值模擬可靠性驗證 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值模擬 176
9.4.1 渦激運動響應 177
9.4.2 無量綱位移、升力及拖曳力系數時間歷程曲線 179
9.4.3 力與位移間相位差 181
9.4.4 渦激運動響應譜與渦泄圖 183
9.4.5 順流向平衡位置 187
9.4.6 與實驗結果對比 188
9.5 質量比對圓柱渦激特性的影響 189
9.5.1 渦激運動響應 189
9.5.2 運動軌跡與順流向平衡位置 191
9.6 本章小結 193
參考文獻 194
第10章 浮式多圓柱型海洋結構物渦激運動數值模擬研究 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 與實驗結果的對比 209
10.6 本章小結 212
參考文獻 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渦激運動的數值計算 219
11.4.1 順流向渦激運動響應 219
11.4.2 橫流向渦激運動響應 222
11.4.3 考慮尾流影響對渦激運動響應的影響 224
11.5 本章小結 225
參考文獻 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 實驗模型 228
12.2.2 實驗工況 229
12.3 螺旋側板對渦激運動響應的影響 230
12.3.1 渦激運動響應幅值 230
12.3.2 渦激運動響應時歷曲線 231
12.4 螺旋側板對渦激運動頻率的影響 233
12.5 螺旋側板對渦激運動軌跡的影響 235
12.6 本章小結 236
參考文獻 237

1. 三峽梯級電站水資源決策支持系統研究與開發 [姚華明 潘紅忠 湯正]
2. 農村新型社區移民的社會適應性問題研究 [董洪清 蔡昌艷 馬衍陽 徐學英]
3. 第四代系統論：全息系統論—全息系統的存在論、認識論和方法論 [高展 著]
4. 海上風電工程專利導航與知識產權風險管理研究 [戚海峰 賈獻林 許丹海　著]
5. 湖湘文化與交互藝術的融合創新 [徐英 尹志強 著]
6. 海洋工程裝備制造業產業發展研究—以山東省為例 [王連海 馬強 郭俊杰 劉剛]
7. 黃河流域非遺衍生品傳播與經濟開發協同發展研究 [畢雪燕 趙爽 著]
8. 大學英語信息化教學探索研究 [張強 著]
9. 基于診斷與改進制度的高職院校內部治理研究與實踐—以重慶電子工程職業學院為例 [主編 孫衛平 聶強]
10. “互聯網+”背景下網絡課程教學團隊建設的關鍵問題研究 [楊帆 李小華 任雅琳 著]
11. 光合細菌合成高價值物質的代謝研究 [劉淑麗 著]
12. 媒體融合影響下的體育電視傳播與價值開發策略研究——以世界杯/NBA為例 [趙曉琳 著]
13. “四步曲”開放型實踐教學活動研究與探索 [岑崗 林雪芬 著]
14. 混合式課堂教學改革與實踐—微動教學法 [石鐵峰 石家羽 著]
15. “學賽一體化”課程開發研究 [李作聚 著]
16. 高職院校軟件類專業“類上班制”人才培養模式研究 [楊智勇 王海洋 著]
17. 農產品云倉模式研究—以北京農產品流通物流供應鏈重構為例 [武曉釗 王成林 王春娟 等著]
18. 泛家居高質量企業不可或缺的軟實力——數字化營銷篇 [凌遠龍 著]
19. 基于慕課模式的課程建設與教學實踐研究 [張廣淵]
20. 第一行代碼——以太坊 [李寧 編著]
21. 創業哲學 [劉雍 熊建強 著]
22. 英文單詞循環速記手抄本•考研版 [宋德偉 編著]
23. 讓光伏驅動中國 [余圣秀 著]
24. 中等職業學校職業指導研究與實踐 [主編 李志欣]
25. 創新驅動教改一路前行 [主編 湖南省高等院校電子信息技]
26. 微積分探究性學習的理論與實踐研究 [徐永琳 田巧玉 文艷艷]
27. 特高壓直流平波電抗器運行狀態研究 [陳圖騰]
28. 中等職業學校女生德育實踐研究 [韓志清 王志慧]
29. 職業教育工學結合課程開發實踐研究 [王堯琦 劉慶華]
30. 中等職業學校文化建設實踐與研究 [張志增 孫其剛]