深水钻井船水动力性能研究

发布时间：2017-04-03 04:07

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【摘要】：随着海洋油气开发逐步走向深水，对于深海油气钻探系统的研究已经成为热点问题。与其他海洋平台相比，钻井船具有机动性能好，可变载荷大，自持能力强等优点，适合在全球范围内不同海域连续作业，在深海油气开发中得到了广泛地应用。又由于钻井船受风浪影响较大，为了提高开工效率，对其进行深入的水动力性能研究十分必要。 本文采用理论研究、模型试验和数值模拟相结合的方法，对一艘最新设计的深水钻井船的总体水动力性能及其月池内的流体运动进行深入系统的研究。其中模型试验在上海交通大学深水试验池完成，缩尺比为1:50；数值计算方法包括三维势流理论数值计算和CFD数值模拟。 对于深水钻井船的总体水动力性能，本文首先采用三维势流理论对其进行频域分析，，得到了运动响应幅值算子（RAO）、平均波浪漂移力，以及垂向运动的短期预报，数值计算结果与模型试验吻合较好。钻井船垂荡RAO在7.6s左右出现峰值，是受到了月池内流体活塞运动的影响；纵摇RAO在180度浪向角下的峰值周期大约为12秒，偏离了纵摇固有周期，是受到了月池内流体晃荡运动的影响。平均波浪漂移力主要集中在5秒至14秒。然后采用频域转时域的方法，对深水钻井船进行了时域数值分析，得到了不同海洋环境条件下的运动性能，时域分析结果与模型试验结果有一定的差异，但在允许范围内。垂荡运动响应在迎浪状态下较小，横浪状态下较大，并且在受到风和流作用时会略微增大；纵摇运动对于浪向角和风流载荷不很敏感；横摇运动在斜浪状态小于横浪状态，且在受到风流作用时会增加平均横倾，但运动幅值有所减小。 对于月池内的流体运动，文本采用CFD数值模拟进行研究。首先建立了基于NS方程和VOF法的数值波浪水池，实现了钻井船与波浪的耦合运动，然后分别分析了方形与长形月池内的流场特征。其中，方形月池内的流体以垂向运动为主，即发生活塞运动，它会在共振状态下受到月池本身的激励而放大，并会增加船体的垂荡运动幅值，另外，船体运动也会加剧月池内的流体运动。长形月池内流体运动既有垂向运动，又有水平运动，目标钻井船月池后端的台阶结构会导致较大的波面升高幅值，月池活塞振荡的固有周期为7.6秒，流体强烈的垂向运动导致了船体垂荡运动RAO的一个峰值，月池晃荡的固有周期在12秒左右，流体强烈的晃荡运动导致了船体在180度浪向角下的纵摇运动RAO的峰值偏离了其固有周期。通过与模型试验结果和势流方法计算结果的对比，验证了CFD模拟的准确性、可靠性以及必要性。另外，本文还通过模型试验方法，对不规则波作用下月池内波面升高进行分析，发现格栅式阻尼板可以有效地减小月池内波面升高。 综上所述，本文对深水钻井船总体水动力性能及其月池内的流体运动展开了系统深入的研究，并得到了很多有意义的结论，为我国掌握深水钻井船关键技术提供理论依据和技术支持。
【关键词】：钻井船 水动力性能 模型试验 月池 数值波浪水池 CFD
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U674.381
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 引言12-13
• 1.2 钻井船概述13-16
• 1.2.1 钻井船的特定13-14
• 1.2.2 钻井船的发展14-16
• 1.3 钻井船的月池结构及其研究现状16-18
• 1.4 本论文的研究内容18-20
• 1.4.1 研究背景和意义18-19
• 1.4.2 研究内容及方法19
• 1.4.3 论文的创新性19-20
• 第二章 数值计算基本理论20-39
• 2.1 三维势流理论20-33
• 2.1.1 坐标系定义20-21
• 2.1.2 速度势问题21-25
• 2.1.3 频域计算25-28
• 2.1.4 时域分析28-33
• 2.2 CFD 求解理论33-38
• 2.2.1 一般控制方程33
• 2.2.2 边界条件及初始条件33
• 2.2.3 自由液面的模拟33-34
• 2.2.4 物体表面的捕捉34-35
• 2.2.5 控制方程35
• 2.2.6 方程的离散35-36
• 2.2.7 船体耦合运动的求解36-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 深水钻井船模型试验研究39-56
• 3.1 试验研究基础39-41
• 3.1.1 坐标系39-40
• 3.1.2 相似法则40-41
• 3.2 模型制作41-44
• 3.2.1 钻井船模型41-44
• 3.2.2 水平系泊系统模型44
• 3.3 海洋环境条件模拟44-48
• 3.3.1 风的模拟45
• 3.3.2 海流的模拟45
• 3.3.3 波浪的模拟45-48
• 3.4 模型试验内容48-51
• 3.4.1 静水试验48-50
• 3.4.2 波浪试验50-51
• 3.5 结果与分析51-55
• 3.5.1 静水衰减试验结果51-53
• 3.5.2 系泊系统刚度试验结果53-54
• 3.5.3 风载荷和流载荷试验结果54-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第四章 钻井船总体水动力性能分析56-77
• 4.1 钻井船频域水动力性能分析56-68
• 4.1.1 水动力分析模型56-57
• 4.1.2 运动响应幅值算子（RAO）分析57-62
• 4.1.3 钻井船平均波浪漂移力研究62-64
• 4.1.4 钻井船垂向运动的频域短期预报计算64-68
• 4.2 钻井船时域水动力性能分析68-76
• 4.2.1 钻井船垂荡运动分析69-72
• 4.2.2 钻井船纵摇运动分析72-74
• 4.2.3 钻井船横摇运动分析74-76
• 4.3 本章小结76-77
• 第五章 钻井船月池内流体运动研究77-98
• 5.1 数值波浪水池77-82
• 5.1.1 二维数值波浪水槽与网格测试77-79
• 5.1.2 消波方式79-80
• 5.1.3 三维数值波浪水池80-82
• 5.2 方形月池内流体运动的 CFD 数值模拟82-88
• 5.2.1 船体模型82
• 5.2.2 数值波浪水池82-83
• 5.2.3 月池内的流体运动83-87
• 5.2.4 船体在波浪中的耦合运动87-88
• 5.3 长形月池内流体运动的 CFD 数值模拟88-93
• 5.3.1 钻井船模型88
• 5.3.2 钻井船在波浪中的耦合运动88-89
• 5.3.3 月池内的流体运动89-93
• 5.4 不规则波作用下月池内波面升高的试验研究93-94
• 5.5 阻尼板减小月池内流体运动的试验研究94-97
• 5.6 本章小结97-98
• 第六章 总结与展望98-101
• 6.1 主要研究工作总结及结论98-100
• 6.2 进一步研究工作与展望100-101
• 参考文献101-104
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文104-105
• 致谢105

【参考文献】

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本文编号：283674