半潜式平台近场干涉及砰击载荷特性研究

发布时间：2020-10-28 14:34

　　 半潜式平台作为一种典型的深海平台,其凭借抗风能力较强,工作水深适应范围广,钻井能力强等诸多优点在海洋石油勘探开发中得到了广泛应用。由于半潜式海洋平台工作的海洋环境恶劣,平台立柱及下甲板经常遭受到波浪的砰击,以及平台四立柱结构的存在,会导致立柱间近场干涉效应的发生。立柱间波浪的叠加放大造成下甲板负气隙的出现,严重影响了平台的结构安全和作业效率。因此,对半潜式平台波浪中砰击载荷及近场干涉现象开展深入研究对半潜式平台的设计与建造具有十分重要的指导意义。首先基于计算流体力学软件Fine/Marine建立了半潜式平台下甲板及立柱入水砰击载荷模型,建立了完备的砰击载荷系数库,完成了砰击载荷系数公式拟合。基于势流理论软件Aqwa完成了半潜式平台在系泊模式下不同海况中的运动响应数值模拟,并与拟合的砰击力系数公式相结合,提出了基于势流理论半潜式平台砰击载荷的计算方法。开展了半潜式平台在固定模式下近场干涉问题的数值模拟计算,探究了不同波浪要素对近场干涉效应的影响。主要研究内容如下:基于冲量入水砰击理论,建立了包含结构-水-空气三者耦合的平台下甲板及立柱入水砰击载荷计算模型,深入分析了砰击载荷的大小与入水角度和入水速度之间的关系,探讨了不同纵倾角下入水面上砰击压力随空间位置分布的变化规律。根据数值计算的结果,建立了适用于该种半潜式平台立柱及甲板样式的砰击载荷系数库,拟合了最大砰击压力系数k与入水速度v和入水角度β两要素之间的函数关系方程。运用拟合的函数方程可以快速求解出最大砰击力系数的大小,对实际工程中平台结构的安全性评估具有指导意义。基于势流理论对半潜式平台水动力性能及极限海况下的运动响应进行了数值模拟计算与研究。首先完成了深水状态下半潜式平台的水动力性能频域计算与分析;重点研究了极限海况下半潜式平台在系泊模式下的六自由度运动响应及系泊缆张力情况;通过设置在下甲板下的气隙量监测点对平台气隙量进行统计分析,深入探讨了浪向角、有义波高、波浪周期三者对与下甲板的气隙量分布的影响。运用自编程软件对平台六自由度运动响应和负气隙值进行后处理,得到负气隙位置处水质点发生砰击时的速度、相对甲板角度、砰击次数和砰击时刻,运用拟合的砰击力系数公式计算出满足该条件下的砰击压力系数,快速解算出的砰击载荷的大小,完成了基于势流理论半潜式平台砰击载荷的计算方法。基于粘流理论开展了不同波浪要素下半潜式平台近场干涉效应的数值模拟计算分析。通过布置在平台下甲板下及四立柱表面的波高监测点,获得了平台四立柱间近场干涉效应影响下的波形分布情况,探究了浪向角及波浪周期对平台四立柱间波形分布的影响;对四立柱间波浪的相互叠加放大及水质点在立柱间的扰动现象进行了总结分析。开展了半潜式平台在规则波中的平台和四立柱受力研究,对比分析了不同波浪周期及浪向角下平台及前后立柱受力的变化趋势。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.38
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 半潜式平台水动力及运动响应研究现状
        1.2.2 半潜式平台气隙响应研究现状
        1.2.3 半潜式平台内场干涉研究现状
        1.2.4 砰击载荷研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 数值模拟理论基础
    2.1 三维势流问题的解
        2.1.1 流场速度势的分解及其定解条件
'>            2.1.1.1 入射势 φ
/li>

            2.1.1.2 辐射势φ^R

            2.1.1.3 绕射势φ^D

        2.1.2 格林函数
    2.2 计算流体力学原理
        2.2.1 基本控制方程
        2.2.2 湍流模型
        2.2.3 数值离散方法
    2.3 本章小结
第3章 半潜式平台甲板及立柱砰击载荷数值模拟
    3.1 半潜式平台砰击模型的建立
        3.1.1 立柱和下甲板模型说明
        3.1.2 计算模型
        3.1.3 计算工况与测点布置
    3.2 计算结果与分析
        3.2.1 不同入水速度与入水角度对立柱砰击载荷影响分析
        3.2.2 不同入水角度对下甲板砰击载荷影响分析
    3.3 本章小结
第4章 半潜式平台水动力及运动响应特性研究
    4.1 半潜式平台计算模型建立
        4.1.1 半潜式平台参数
        4.1.2 半潜式平台几何模型
        4.1.3 计算工况设定
        4.1.4 浪向角与气隙监测点的布置说明
        4.1.5 半潜式平台系泊系统的设定
        4.1.6 半潜式平台网格划分
    4.2 半潜式平台水动力性能计算与分析
        4.2.1 半潜式平台RAO的频域变化特性与分析
        4.2.2 半潜式平台一阶波浪力的频域变化特性与分析
        4.2.3 半潜式平台二阶波浪力的频域变化特性与分析
        4.2.4 半潜式平台附加质量特性与分析
        4.2.5 半潜式平台辐射阻尼特性与分析
    4.3 系泊模式下半潜式平台不规则波中运动响应特性研究
        4.3.1 半潜式平台六自由度运动响应结果与分析
        4.3.2 半潜式平台系泊缆张力结果与分析
    4.4 气隙量的数值计算与分析
        4.4.1 基于AQWA软件半潜式平台气隙统计分析
    4.5 半潜式平台砰击载荷结果与分析
        4.5.1 基于势流理论半潜式平台砰击载荷的计算方法
        4.5.2 基于Matlab软件半潜式平台下甲板砰击载荷统计分析
    4.6 本章小结
第5章 半潜式平台近场干涉效应研究
    5.1 半潜式平台近场干涉计算模型
        5.1.1 网格划分
        5.1.2 计算工况设定
    5.2 规则波作用下四立柱近场干涉效应研究
        5.2.1 四立柱间水动力扰动研究
        5.2.2 平台四立柱受力分析研究
    5.3 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 本文创新点
    6.3 研究展望
参考文献
附录
攻读硕士学位期间取得的学术成果
致谢

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本文编号：2860221

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