南海深水导管架复合式深吃水半潜平台水动力及涡激运动（VIM）特性研究

发布时间：2017-10-11 14:42

  本文关键词：南海深水导管架复合式深吃水半潜平台水动力及涡激运动（VIM）特性研究

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【摘要】：随着世界经济的快速发展，人类对石油、天然气等能源的需求不断加深，石油的开采和利用已经成为了国际经济性和可持续性发展的焦点问题。陆地采油已经有多年历史，面临着陆地采油枯竭的危险，近海采油也已经发展多年，为了经济的可持续性发展，解决能源危机，人类已经将目光放在深海、超深海的油气开采上面。深海油气资源丰富，但是开采难度加深，深海油气开发是现今人类面临的一大机遇同时也是一项挑战。 为了解决深海勘探和采油的各项困难，作为深海勘探和采油的媒介-浮式生产和钻井结构不断受到了人类的重视，就浮式结构的设计、性能研究等方面研究者前赴后继地展开了一系列的工作。南海油气资源丰富，然而环境条件恶劣，为了设计出适应该海域环境条件且性能良好的平台概念，研究者们就开发新型的平台概念、提出改善平台运动性能方法等方面进行了不懈的努力。深海半潜式钻井平台由于其抗风能力大，适应水深范围较广，甲板面积大，装载能力强，有助于合理生产设施布置，可实现上船体码头安装和整体拖航，钻井能力强等特点，在深海油气开发中得到了广泛的应用。然而，传统的深海半潜式平台垂荡性能较差，并不能作为支撑干式采油树的平台主体，为了结合干式采油树和半潜平台的优点，研究者们就提高半潜平台垂荡性能方面提出了很多有利的措施。 导管架复合式深吃水半潜平台（Jacket combined deep-draft semi-submersibleplatform, JCDDS）是以适应南海恶劣环境、支撑干式采油树为目的而设计出来的新型的深吃水平台概念。该平台概念水下结构不仅包括传统的深吃水半潜结构（即浮筒、立柱等结构），而且加入了导管架的设计。二者通过底部浮筒四个内对角区域进行连接。导管架的设计主要用来提高平台的稳性，增加平台的气息，同时确保该部分不会对平台主体的各方面性能造成较大的负面影响。作为新型的平台概念，研究平台主体的全方面的水动力性能、及其与锚泊系统的耦合动力特性以及涡激运动特性（Vortex-induced Motion, VIM）等具有非常重要的意义。同时，在南海海域不同海况下平台及其锚泊系统的水动力特性直接影响着该平台概念的优劣，深入了解平台及其系泊系统的特性，提出不断改善性能的方法，均具有非常重要的意义。 涡激运动是半潜平台为了改善垂荡运动而增加平台吃水而带来的一个负面效应。吃水增加，使水下立柱高度增加，增加了海流与立柱之间的相互影响。涡激运动是由于流体绕过钝体产生周期性的泄涡而引起的横向运动，主要特点包括运动周期长、横向响应幅值大等。由于涡激运动对立柱和锚泊系统疲劳寿命产生的负面影响而受到了广泛的关注。本平台概念采用增加吃水的方法来提高平台的垂荡性能，因此分析平台的涡激运动性能具有十分重要的意义，更好的了解涡激运动特性，为提出抑制涡激运动的影响提供依据。 本文以该新型平台主体为研究对象，同时展开南海海域不同环境工况下平台主体及其锚泊系统的全方面水动力性能和VIM特性的研究，致力于提出提高平台垂荡性能的方法，同时初步确定平台的VIM特性。论文主要包括以下几方面的工作： （1）半潜平台概念及其系泊系统的水动力性能分析 通过开展模型实验，包括静水衰减试验、白噪声试验、不同海况下的风浪流实验等，，可以得到平台主体六自由度运动频域特性，不同海况下时历运动和锚泊系统完整系泊和一根破断系缆力等参数。 利用三维绕射理论和Morison公式，对平台及其锚泊系统开展数值模拟，包括时域耦合分析和频域分析两个方面。利用模型实验所得结果验证数值模型和所用方法的准确性。首先，计算了平台的频域特性，得到了不同波浪频率不同浪向下的运动响应幅值算子（RAO），不同波浪频率下的附加质量和阻尼系数等水动力参数。频域中所得的水动力参数组成了数据库，为后续的平台及其系泊系统在不同海况风浪流作用下的时域耦合分析提供了基础。随后，对一年一遇、十年一遇和百年一遇南海环境工况分别于完整系泊和一根破断系泊情况进行了时域耦合分析，对平台运动时历、运动响应谱、系缆受力情况等进行了对比分析。 结合模型实验和数值模拟的结果，可以对平台主体及其系泊系统的水动力特性进行全面研究，分析不同环境工况对平台系统的运动和动力特性产生的影响，可以为平台的设计、性能完善以及安全评估等提供依据。 （2）新型平台概念参数敏感性分析 不同的参数对平台及其系泊系统的运动和动力特性具有不同的影响。本文着重分析了重心高度、导管架以及改善平台垂荡性能的两种方法对平台系统产生的影响。首先，在频域内分析了重心高度对平台六自由运动产生的影响；随后，基于工程和设计的考虑，在时域和频域内分析了导管架的存在对平台及其锚泊系统垂荡、横摇和纵摇垂直面内的运动、响应谱等产生的影响；最后，就增加吃水和增加平台局部结构面积来提高平台垂荡运动性能的两种方法对平台垂荡产生的影响进行了对比分析。 （3）涡激运动（VIM）特性分析 本文根据方柱固定绕流和方柱涡激运动数值模拟，从机理上研究VIM现象，解释VIM现象的内在机制。首先采用CFD方法建立数值模型，模拟Re在50000~765000下的方柱绕流，与现有圆柱绕流的结果进行对比，分析二者的主要区别，并分析单柱主要的受力特性、运动响应幅值以及运动轨迹等结果，为进一步研究四柱式深吃水半潜平台的VIM特性提供基础，验证所用数值模型和方法的正确性。 运用方柱绕流所用的数值方法，对0度、45度两个角度下的四柱深吃水半潜平台的VIM特性进行进一步研究。主要雷诺数范围集中在10000~100000内。采用CFD的方法建立数值模型，分析固定四柱式平台的受力特性和泄涡特性，同时对单自由度下平台在锚泊系统刚度作用下的涡激运动特性进行分析，对四柱式平台绕流的主要运动响应幅值、受力特性等进行分析，为南海海流作用下平台的涡激运动响应提供依据。
【关键词】：深吃水半潜平台 导管架 非线性耦合分析 模型试验 涡激运动 干式采用树
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.1;U674.381
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-29
• 1.1 引言14
• 1.2 深水半潜平台的发展及应用14-20
• 1.2.1 各类平台简介和特点14-17
• 1.2.2 新型深水半潜平台的研究进展17-19
• 1.2.3 系泊系统简介19-20
• 1.3 涡激运动介绍20-26
• 1.3.1 多柱式平台涡激运动的提出20-21
• 1.3.2 涡激运动的主要影响因素和描述 VIM 的主要参数21-24
• 1.3.3 多柱式平台涡激运动的研究进展24-26
• 1.4 本文主要研究内容26-27
• 1.5 主要创新性27-28
• 1.6 本章小结28-29
• 第二章 数值计算理论基础29-47
• 2.1 三维势流理论29-30
• 2.1.1 坐标系的定义29
• 2.1.2 控制方程及边界条件29-30
• 2.2 速度势的求解30-32
• 2.3 频域分析32-35
• 2.3.1 频域运动方程32-33
• 2.3.2 频域水动力参数33-35
• 2.4 时域耦合分析35-38
• 2.4.1 时域运动方程35-37
• 2.4.2 风、流载荷37
• 2.4.3 Morison 公式37-38
• 2.4.4 耦合分析38
• 2.5 涡激运动理论基础38-42
• 2.5.1 理想流体与粘性流体38
• 2.5.2 层流和湍流38-39
• 2.5.3 流体动力学控制方程39-40
• 2.5.4 钝体绕流40-42
• 2.6 涡激运动数值求解方法42-46
• 2.6.1 雷诺平均的 Navier-Stokes（RANS）方程42
• 2.6.2 湍流模型42-43
• 2.6.3 VIM 数值模拟方法43-46
• 2.7 本章小结46-47
• 第三章 JCDDS 模型试验研究47-61
• 3.1 相似法则47-49
• 3.2 坐标系定义49
• 3.3 JCDDS 模型介绍49-50
• 3.4 锚泊系统50-54
• 3.5 实验测量内容和仪器54-56
• 3.5.1 实验测量内容54
• 3.5.2 实验设备及仪器54-56
• 3.6 海洋环境条件模拟56-60
• 3.6.1 水深模拟56-57
• 3.6.2 风的模拟57
• 3.6.3 流的模拟57
• 3.6.4 波浪的模拟57-60
• 3.7 本章小结60-61
• 第四章 平台水动力及锚泊系统数值模拟61-81
• 4.1 坐标系和数值模型61-62
• 4.2 频域水动力分析62-66
• 4.2.1 固有周期和阻尼系数62-63
• 4.2.2 六自由度运动 RAOs63-64
• 4.2.3 六自由度模态附加质量和势流阻尼系数64-66
• 4.3 时域耦合分析66-80
• 4.3.1 模型实验与数值模拟对比分析67-69
• 4.3.2 十年一遇海况69-75
• 4.3.3 百年一遇生存海况75-80
• 4.4 本章小结80-81
• 第五章 参数敏感性分析81-91
• 5.1 重心高度的影响81-82
• 5.2 导管架的影响导管架对垂直平面运动的影响82-85
• 5.3 吃水和增加局部面积对垂荡产生的影响85-90
• 5.3.1 吃水的影响85-87
• 5.3.2 增加局部面积的影响87-90
• 5.4 本章小结90-91
• 第六章 涡激运动（VIM）响应特性分析91-114
• 6.1 方柱涡激运动数值模拟91-103
• 6.1.1 数值模型和网格划分91-94
• 6.1.2 方柱固定绕流数值模拟94-98
• 6.1.3 方柱 VIM 数值模拟98-103
• 6.2 深吃水四柱式半潜平台涡激运动（VIM）响应特性分析103-112
• 6.2.1 数值模型介绍103-104
• 6.2.2 网格测试和时间步长104-106
• 6.2.3 平台固定绕流数值模拟106-111
• 6.2.4 平台 VIM 数值模拟111-112
• 6.3 本章小结112-114
• 第七章 总结和展望114-118
• 7.1 主要研究工作总结及结论114-117
• 7.2 展望117-118
• 参考文献118-124
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文124-125
• 致谢125

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 刘海霞;;深海半潜式钻井平台的发展[J];船舶;2007年03期

2 姜哲;谢彬;谢文会;;新型深水半潜式生产平台发展综述[J];海洋工程;2011年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张帆;深海立柱式平台概念设计及水动力性能研究[D];上海交通大学;2008年

本文编号：1013102