Spar平台月池内流体振动特性及其对平台垂荡运动影响研究

发布时间：2017-07-17 11:04

  本文关键词：Spar平台月池内流体振动特性及其对平台垂荡运动影响研究

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【摘要】：Spar平台结构特殊,平台主体上的中央井贯穿了整个主体,立管和其它重要钻井设施以一定的方式布置在中央井内,构成了整个月池结构。根据实际情况,有时需要将月池设计为半开口形式,海水可以自由进入或者流出月池。采用顶张紧立管系统时,月池海水质量与平台主体质量量级相当,月池流体对平台运动的影响不可忽略。本文基于计算流体动力学的开源软件OpenFOAM研究深海Spar平台月池内流体的振动特性,分析月池流体对平台垂荡运动的影响。(1)建立了二维、三维数值水池模型,进行了数值网格收敛测试,对后面需要用到的造波情况进行了最优网格划分并进行了消波处理,结果表明,造波效果十分稳定,可以用于进行接下来的模型运算。(2)研究了月池内流体的垂向“活塞”运动模态和左右“晃荡”运动模态的固有振动特性,分析了月池底部开口面积对流体运动的影响。结果表明,当波浪周期接近流体活塞振动固有周期时,将激起流体的垂向共振运动,不同的底部开口面积,月池内流体发生不同幅值的垂向运动,本文计算的三种工况中,当底部开口率为30%时,月池内流体的活塞运动幅值最小。考虑平台与波浪耦合后,月池内流体的活塞运动变得更加剧烈,因此耦合效应不可忽略。(3)考虑月池内流体的影响,计算了不同KC数下平台的垂向运动阻尼。结果表明,采用半开口月池后,平台的垂荡阻尼增加,不同的月池底部开口面积对应不同的阻尼力。本文计算的三个算例中,30%开口面积对应的平台垂荡阻尼系数最大。计算了波浪-平台垂荡-月池内流体的耦合运动响应,分析了底部挡板开口面积对平台垂荡运动的影响。结果表明,在波浪周期接近平台垂荡固有周期时,月池流体会抑制平台主体的垂荡运动,且抑制程度与月池开口面积有关。本文计算中,30%开孔率对应的平台垂荡RAO值最小。在实际中可设计月池底部挡板的最优开孔面积来最大程度地减小平台主体的垂荡运动。
【关键词】：Spar平台 月池流体 流固耦合 垂荡运动 阻尼系数
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.381
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 引言10-11
• 1.2 Spar平台概述11-12
• 1.3 月池结构及其研究12-14
• 1.4 本论文研究内容和方法14-16
• 1.4.1 研究内容14-15
• 1.4.2 研究方法15-16
• 第二章 OpenFOAM计算的基本理论16-26
• 2.1 OpenFOAM基本知识16-18
• 2.1.1 OpenFOAM简介16-17
• 2.1.2 OpenFOAM结构17-18
• 2.2 OpenFOAM对两相流问题的处理18-25
• 2.2.1 两相流基本概念18-19
• 2.2.2 控制方程在OpenFOAM中的离散19-20
• 2.2.3 速度压力的迭代求解20-21
• 2.2.4 OpenFOAM中动网格的处理21-22
• 2.2.5 六自由度刚体运动22-24
• 2.2.6 运动和约束24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 数值造波26-41
• 3.1 数值造波26-31
• 3.1.1 摇板造波理论26-29
• 3.1.2 在interDyMFoam中的实现29-30
• 3.1.3 消波30-31
• 3.2 数值造波前处理31-33
• 3.2.1 算例的建立与运行31-32
• 3.2.2 数值波浪水池32-33
• 3.3 造波实验33-40
• 3.3.1 二维网格测试33-38
• 3.3.2 三维数据采集与对比38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 平台月池内流体的振动特性研究41-51
• 4.1 模型建立41-44
• 4.1.1 平台参数41-43
• 4.1.2 平台网格加密及边界条件设定43-44
• 4.2 计算结果及分析44-50
• 4.2.1 月池底部挡板全开口工况44-46
• 4.2.2 月池底部挡板部分开口工况46-50
• 4.3 本章小结50-51
• 第五章 波浪-平台-月池内流体的耦合运动51-67
• 5.1 平台在波浪中运动的设置方法51-53
• 5.1.1 拓扑设置51-52
• 5.1.2 边界条件和约束处理52-53
• 5.2 全封口时平台上部柱体的垂向运动53-55
• 5.2.1 模型数据53
• 5.2.2 计算结果及对比53-55
• 5.3 底部开口时平台上部柱体及月池内流体的垂向运动55-61
• 5.3.1 月池内流体运动55-58
• 5.3.2 平台-波浪耦合对月池内流体运动的影响分析58-59
• 5.3.3 平台主体上部柱体的阻尼特性研究59-61
• 5.4 平台整体及月池内流体的耦合运动61-66
• 5.4.1 模型数据61-62
• 5.4.2 计算结果分析62-66
• 5.5 本章小结66-67
• 第六章 总结展望67-69
• 6.1 主要研究工作总结及结论67-68
• 6.2 进一步研究工作及展望68-69
• 参考文献69-72
• 附录72-76
• 发表论文和参加科研情况说明76-77
• 致谢77-78

【参考文献】

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本文编号：553260