深海Spar平台主体—月池流体耦合运动研究

发布时间：2017-08-20 15:38

  本文关键词：深海Spar平台主体—月池流体耦合运动研究

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【摘要】：Spar平台作为深水域中极具竞争力的平台类型，在深水油气开发中扮演者极重要的角色。Spar平台的中央井自下而上贯穿整个主体，其内按照一定的方式布置立管和其它重要钻井设施，构成Spar平台的月池，Spar平台中月池在底部有不完全封闭的，海水通过底部这些不完全封闭的底板自由进入或者流出月池。虽然理论上应该完全关闭月池的底部，但是因为要进行实际的设计，所以某些区域不得不开启，因此产生了波浪激励引起月池内部流体共振问题。 本文的具体工作以及结论如下： （1）运用SESAM软件计算月池底部全开口以及全封闭时Spar平台的水动力性能以及RAO曲线。垂荡结果表明，当月池底板全封闭时，月池内海水处理为刚体，在平台主体运动的质量和刚度项中考虑月池内海水质量；当月池底部全部打开时，RAO曲线会在月池流体固有频率处出现小峰值，说明如果波浪频率接近月池流体固有频率，那么也会造成Spar平台较大的垂荡运动。 （2）考虑顶张紧立管的作用，建立平台主体垂荡与月池流体耦合运动模型，并且针对算例模型进行了试验研究。试验结果与数值计算结果相匹配，，均表明月池流体对主体垂荡有抑制作用，合理设计挡板面积可减小平台主体的垂荡运动。随着挡板开口面积的增加，主体垂荡RAO逐渐呈现两个峰，波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时也会激起主体较大的垂荡运动；平台主体与月池流体之间的耦合系数对主体垂荡运动影响显著。 （3）假定月池底部为全封闭，运用晃动等效力学模型理论，确定等效力学模型参数，运用ANSYS作为模型建立以及网格划分的前处理软件；运用Galerkin有限元方法求解相应的月池流体晃动的固有频率、模态函数以及势函数离散解；应用Matlab软件编制了月池流体晃动程序。算例的计算结果与解析解相匹配，表明程序的正确性。 （4）运用拉格朗日原理，建立了Spar平台垂荡-纵摇与月池耦合系统的动力学方程，考虑垂荡参数激励以及月池内流体的晃动，建立Spar平台纵摇运动的Mathieu方程；采用摄动法理论确定了纵摇运动的谐波振动以及1/2亚谐波振动的稳定性边界。结果表明液体晃动的阻尼明显减小了谐波振动的不稳定区域，而对于1/2亚谐波振动的不稳定区域作用不明显。当垂荡运动参数处于不稳定区域内时，会引起Spar平台纵摇响应过大现象。
【关键词】：Spar-月池 垂荡 挡板面积 有限元 Mathieu方程
【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】：U674.38;U661
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 本文的研究背景及意义9-10
• 1.2 Truss Spar 平台的结构介绍10
• 1.3 国内外研究现状10-14
• 1.4 本文的主要工作14-15
• 第二章 Spar 平台-月池系统水动力计算15-28
• 2.1 SESAM 软件介绍15-17
• 2.2 GeniE 与 HydroD 软件包介绍17-19
• 2.2.1 GeniE 软件介绍17-18
• 2.2.2 HydroD 软件介绍18-19
• 2.3 水动力分析模型类型19-21
• 2.4 算例21-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 平台主体垂荡-月池流体耦合动力学建模以及模型试验28-47
• 3.1 月池流体垂向运动模型28-30
• 3.2 平台主体垂荡-月池流体耦合运动模型30-31
• 3.3 算例分析31-36
• 3.4 模型试验36-46
• 3.4.1 相似准则36-37
• 3.4.2 试验仪器以及布置情况37-39
• 3.4.3 试验内容以及结果39-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 月池流体晃动等效力学模型47-61
• 4.1 势流理论47-49
• 4.1.1 基本假定47
• 4.1.2 运动学边界条件47-48
• 4.1.3 自由液面动力学条件48-49
• 4.2 月池流体晃动动力学模型49-51
• 4.2.1 Stokes-Zhukovskiy 势函数与等效刚体49-50
• 4.2.2 月池流体晃动模型50-51
• 4.3 月池流体晃动等效单摆模型51-53
• 4.4 有限元数值方法求解53-57
• 4.4.1 泛函极值原理以及方程的离散53-55
• 4.4.2 等参单元变换方法55-57
• 4.5 程序的实现以及算例57-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 平台主体-月池流体耦合的参数激励稳定性分析61-68
• 5.1 系统的 Mathieu 方程61-64
• 5.2 Mathieu 方程的稳定性边界分析64
• 5.3 算例分析64-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 结论与展望68-70
• 参考文献70-72
• 发表论文和参加科研情况说明72-73
• 致谢73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 刘利琴;唐友刚;王文杰;;Spar平台垂荡—纵摇耦合运动的不稳定性[J];船舶力学;2009年04期

2 李彬彬;欧进萍;;Truss Spar平台垂荡响应频域分析[J];海洋工程;2009年01期

3 刘利琴;唐友刚;王文杰;;Spar平台垂荡-纵摇耦合运动失稳机理[J];海洋工程;2009年02期

4 姚熊亮;康庄;;圆形月池流激振荡实验研究[J];力学学报;2007年03期

5 余延生;马兴瑞;王本利;;利用多维模态理论分析圆柱贮箱液体非线性晃动[J];力学学报;2008年02期

6 赵晶瑞;唐友刚;冯丽梅;张若瑜;;传统Spar平台垂荡主共振时非线性耦合响应的研究[J];应用力学学报;2010年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李青;充液挠性系统动力学分析及在航天工程中的应用研究[D];清华大学;2010年

本文编号：707501