随机波与涡激作用下Spar平台非线性耦合运动分析

发布时间：2017-08-20 03:19

  本文关键词：随机波与涡激作用下Spar平台非线性耦合运动分析

  更多相关文章： 垂荡-横摇-纵摇 非线性耦合 随机波浪载荷 涡激载荷 运动响应

【摘要】：目前,Spar平台已经在美国墨西哥湾深水海域油气开发中得到广泛应用,这种平台因其优良的运动性能和经济灵活的特点被许多石油公司视为未来深水油气开发的重点和方向。Spar平台垂荡、横摇、纵摇的非线性耦合运动响应问题是近些年研究的热点。本文根据Spar平台在水中位置变化的几何关系推导了平台垂荡-横摇-纵摇三自由度的非线性耦合静水回复刚度,并在此基础上建立了平台的非线性耦合运动方程;采用基于势流理论的浮体绕/辐射数值计算程序求解了作用在平台主体上的一阶波浪载荷线性传递函数(LTF)和二阶波浪载荷二次传递函数(QTF)矩阵;采用CFD软件Fluent对圆柱的二维绕流进行了数值模拟,得到涡激升力系数和涡泄频率;基于传递函数和海浪谱生成随机波浪载荷的时间历程,在时域内分别数值模拟了单向随机不规则波、多向随机不规则波以及随机波和同向海流引起的涡激载荷共同作用下Spar平台的垂荡-横摇-纵摇非线性耦合运动响应,得到的主要结论如下:(1)当考虑单向随机不规则波作用时,不同海域下Spar平台的垂荡-纵摇耦合随机运动响应主要受有义波高Hs和谱峰周期Tp这两个波浪参数的控制,且波浪特征周期对平台的随机运动响应影响很大;二阶平均波浪漂移载荷主要影响平台垂荡运动平均值,而对平台纵摇运动平均值无明显影响;二阶低频随机波浪载荷对于平台纵摇运动影响显著,而对垂荡运动影响很小;瞬时波面升高对于平台垂荡运动影响显著,对于纵摇运动影响较小,垂荡运动计算考虑瞬时波面升高是必要的;(2)与单向随机波中的运动响应不同,平台在多向随机波作用下会产生明显的横摇运动,而且由于三个自由度运动之间的耦合作用,在某些海况下,平台的横摇运动幅值甚至超过了纵摇运动幅值;随着方向分布参数s值的增加,平台的横摇运动响应逐渐减小;方向分布参数s的值对多向波随机波面升高、垂荡随机波浪力和垂荡运动响应幅值的影响均很小。(3)当考虑随机波浪载荷和涡激载荷同时作用时,涡激载荷引起的横摇运动响应成分与波浪引起的横摇运动响应成分的幅度相当,因此在进行Spar涡激运动特性方面研究时,不应只是考虑平台的平动自由度(纵荡、横荡)运动,涡激升力引起的平台横摇运动也不能忽视。
【关键词】：垂荡-横摇-纵摇 非线性耦合 随机波浪载荷 涡激载荷 运动响应
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-13
• 1.2 Spar平台简介13-16
• 1.3 国内外研究现状16-18
• 1.4 本文研究内容及创新点18-20
• 1.4.1 研究意义与内容18-19
• 1.4.2 研究创新点19-20
• 第二章 运动方程的建立20-26
• 2.1 引言20
• 2.2 模型及坐标系20-21
• 2.3 非线性耦合静水回复刚度的推导21-23
• 2.4 Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动方程23-24
• 2.5 求解运动方程的数值方法24-25
• 2.6 小结25-26
• 第三章 Spar平台频域波浪载荷计算26-35
• 3.1 引言26
• 3.2 一阶波浪载荷传递函数26-29
• 3.2.1 线性势流理论26-27
• 3.2.2 源汇分布法27-29
• 3.3 二阶波浪载荷传递函数29-30
• 3.4 计算结果及分析30-34
• 3.5 小结34-35
• 第四章 单向随机波中Spar平台垂荡-纵摇耦合运动分析35-56
• 4.1 引言35
• 4.2 随机海浪模型35-38
• 4.2.1 Pierson模型35-36
• 4.2.2 Longuet-Higgins模型36-38
• 4.3 海浪频谱38-41
• 4.3.1 Pierson-Moscowitz谱(P-M谱,ITTC单参数谱)39
• 4.3.2 ISSC双参数谱(ITTC双参数谱)39-40
• 4.3.3 JONSWAP谱40
• 4.3.4 Torsethaugen谱40-41
• 4.4 单向随机不规则波数值模拟41-45
• 4.4.1 线性波浪叠加法42-43
• 4.4.2 单向随机不规则波数值模拟结果43-45
• 4.5 单向随机波波浪载荷数值模拟45-49
• 4.5.1 计算原理简介45-48
• 4.5.2 单向随机波波浪载荷数值模拟结果48-49
• 4.6 单向随机波中Spar平台垂荡-纵摇耦合运动响应49-55
• 4.6.1 不同海况下的运动响应对比50-51
• 4.6.2 二阶波浪载荷的影响51-53
• 4.6.3 瞬时波面升高的影响53-55
• 4.7 小结55-56
• 第五章 多向随机波中Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动分析56-76
• 5.1 引言56-57
• 5.2 方向谱57-60
• 5.2.1 余弦型方向分布58
• 5.2.2 半角余弦型方向分布58
• 5.2.3 Mitsuyasu方向分布58-59
• 5.2.4 Wrapped-normal方向分布59
• 5.2.5 Donelan方向分布59-60
• 5.3 多向随机不规则波数值模拟60-62
• 5.3.1 双重叠加法60
• 5.3.2 频率方向对应法60-61
• 5.3.3 等分能量法61-62
• 5.4 多向随机波波浪载荷数值模拟62-65
• 5.5 多向随机波中Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动响应65-75
• 5.5.1 不同海况下的运动响应及与单向波对比66-71
• 5.5.2 方向分布参数的影响71-75
• 5.6 小结75-76
• 第六章 随机波与涡激作用下Spar平台非线性耦合运动分析76-85
• 6.1 引言76
• 6.2 基本理论76-79
• 6.2.1 流体动力学基本方程76-77
• 6.2.2 圆柱绕流基本理论77-78
• 6.2.3 计算流体动力学基本原理78-79
• 6.3 涡激载荷数值模拟79-81
• 6.3.1 二维圆柱绕流模型的建立79-80
• 6.3.2 二维圆柱绕流升力系数及泄涡频率80
• 6.3.3 涡激力矩计算80-81
• 6.4 随机波与涡激作用下Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动响应81-84
• 6.5 小结84-85
• 第七章 总结与展望85-87
• 7.1 全文总结85-86
• 7.2 展望86-87
• 参考文献87-92
• 发表论文和参加科研情况说明92-93
• 致谢93-94

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