深吃水半潜式平台涡激运动响应特性研究

发布时间：2017-05-26 22:10

  本文关键词：深吃水半潜式平台涡激运动响应特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：国际能源消费持续增长，海洋油气开发如火如荼。半潜式平台由于抵抗风浪能力强、适应水深范围广、可变载荷大等优点，成为世界上应用最为广泛的大型浮式海洋油气勘探开发装备之一。然而，由于半潜式平台垂荡固有周期在20s左右，偏离主要波浪周期范围不大，所以与TLP平台和Spar平台相比，垂向运动较大，这不利于钻探作业，在一定程度上制约了它的进一步发展。增加平台吃水是改善半潜式平台的垂向运动性能有效途径之一，深吃水的半潜式平台(Deep DraftSemi-submersible, DDS)的概念应用而生，并将成为今后半潜式平台的发展趋势。 半潜式平台是一种典型的多立柱浮体，在一定流速条件下立柱后方会发生漩涡脱落，导致脉动压力产生，进而引发涡激运动。深吃水半潜式平台由于立柱水下部分增加，有效激励增大，涡激运动相比于传统半潜式平台更为明显。涡激运动会影响平台锚链和刚悬链线立管的疲劳寿命，甚至会影响到正常的钻井作业，因此深吃水半潜式平台的涡激运动不容忽视。本文将CNOOC提出的新型的四立柱四浮箱深吃水半潜式平台的设计方案作为研究对象，通过模型试验和CFD数值模拟相结合的方法对深吃水半潜式平台涡激运动响应特性进行了研究。 制作了缩尺比1:60的模型，通过拖曳试验，测量其在不同来流角度和不同来流速度下的六自由度运动，从运动时历、运动响应幅值、运动轨迹等多个角度出发，分析和研究深吃水半潜式平台涡激运动响应的关键特征和锁定范围。深吃水半潜式平台涡激运动主要为横荡和纵荡，横荡居主导地位；响应幅值不仅与来流角度有关，且随折合速度的变化呈现出一定规律；斜流时，响应幅值较大，且在一定流速范围内有明显锁定现象；迎流和横流时，响应幅值相对较小，且无明显锁定现象。 取深吃水半潜式平台实验模型的四矩形立柱截面，建立二维数值模型，对半潜式平台四立柱结构在不同来流角度和来流速度下的涡激运动和静止绕流进行CFD数值模拟。涡激运动数值模拟结果与模型试验结果吻合良好，证明了本文所采用的CFD方法在模拟多立柱浮体涡激运动方面的可行性；并且根据静止绕流数值模拟结果从激励力的角度对半潜式平台涡激运动响应规律进行了解释。 该论文的研究成果可以为多立柱海洋平台的初步设计提供重要的参考依据，并对后续多立柱浮体涡激运动的研究工作有着重要的借鉴意义。因此，本文的研究工作既具有重要的工程意义，又具有很好的学术价值。
【关键词】：涡激运动 深吃水半潜式平台 模型试验 数值模拟
【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3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10-13
• 1.1.1 海洋油气资源开发概述10-11
• 1.1.2 深吃水半潜式平台概念及其涡激运动的提出11-13
• 1.2 半潜式平台 VIM 影响因素和特征参数13-14
• 1.3 海洋平台 VIM 研究进展14-16
• 1.4 本文的主要工作和意义16-18
• 第二章 涡激运动理论基础18-29
• 2.1 流动的基本特性与控制方程18-21
• 2.1.1 粘性18-19
• 2.1.2 涡19
• 2.1.3 湍流19
• 2.1.4 流体运动的控制方程19-21
• 2.2 钝体绕流及流体诱发振动成因21-23
• 2.2.1 边界层理论21-22
• 2.2.2 边界层分离22
• 2.2.3 流体诱发振动成因22-23
• 2.3 VIM 基本参数23-27
• 2.3.1 折合速度 Ur23-24
• 2.3.2 雷诺数24
• 2.3.3 斯特罗哈数 St24-25
• 2.3.4 升力系数和阻力系数25-27
• 2.3.5 VIM 响应幅值27
• 2.4 本章小结27-29
• 第三章 数值计算原理29-40
• 3.1 计算流体动力学原理29-33
• 3.1.1 基于有限体积法的控制方程离散29-30
• 3.1.2 湍流模型30-31
• 3.1.3 Reynolds 平均法与 SST k 模型31-33
• 3.2 VIM 数值模拟方法33-39
• 3.2.1 系泊结构物的涡激运动微分方程33-34
• 3.2.2 动网格方法34-35
• 3.2.3 涡激运动迭代求解过程35-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 圆柱 VIM 响应特性研究40-55
• 4.1 数值模型和网格划分40-42
• 4.2 圆柱静止绕流数值模拟42-48
• 4.2.1 时间步长测试42-43
• 4.2.2 圆柱静止绕流响应特性43-48
• 4.3 圆柱涡激运动数值模拟48-54
• 4.3.1 系统刚度的模拟与固有周期的测定49
• 4.3.2 圆柱 VIM 和静止绕流受力特性对比49-50
• 4.3.3 圆柱 VIM 横向受力与运动分析50-53
• 4.3.4 圆柱涡激运动轨迹53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 深吃水半潜式平台 VIM 响应特性模型试验研究55-66
• 5.1 模型试验方案55-58
• 5.1.1 试验模型55-56
• 5.1.2 坐标系与模型布置56-57
• 5.1.3 试验内容57-58
• 5.2 试验结果与分析58-64
• 5.2.1 六自由度运动响应对比分析58-59
• 5.2.2 横荡运动响应59-62
• 5.2.3 纵荡运动响应62-64
• 5.2.4 首摇运动响应64
• 5.3 本章小结64-66
• 第六章 深吃水半潜式平台四立柱 VIM 和静止绕流数值模拟66-80
• 6.1 数值模型66-69
• 6.1.1 模型与数值模拟内容66-68
• 6.1.2 网格划分68-69
• 6.2 半潜式平台四立柱 VIM 数值模拟69-73
• 6.2.1 横荡运动响应幅值69-70
• 6.2.2 横荡运动与受力特性70-72
• 6.2.3 横荡运动响应频率72
• 6.2.4 VIM 轨迹72-73
• 6.3 半潜式平台四立柱静止绕流数值模拟73-79
• 6.3.1 四立柱静止绕流受力特性分析73-77
• 6.3.2 四立柱流场结构对比分析77-79
• 6.4 本章小结79-80
• 第七章 总结与展望80-83
• 7.1 主要工作内容及结论80-81
• 7.2 主要创新点81
• 7.3 进一步研究展望81-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间发表或录用的论文87-88
• 致谢88-90

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王颖;Spar平台涡激运动关键特性研究[D];上海交通大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 童波;半潜式平台系泊系统型式及其动力特性研究[D];上海交通大学;2009年

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本文编号：398237