深海半潜式平台波浪爬升及近场干涉效应研究

发布时间：2017-08-25 23:38

  本文关键词：深海半潜式平台波浪爬升及近场干涉效应研究

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【摘要】：随着人类对石油气的需求量不断增加,深海石油气资源的勘探开发技术也不断进步与发展,半潜式平台在深海石油气开采中得到广泛的应用。由于深海海洋环境不断恶化,严重影响到工作人员正常生活以及海洋平台结构安全,其中平台的气隙性能直接关系到平台的安全状况,是衡量平台安全性能的重要指标之一,对平台结构设计具有重要的意义。半潜式平台波浪爬升、近场干涉以及气隙响应的分析研究是目前国内外海洋工程界的前沿课题并处于起步阶段,受到了海洋工程领域研究者的广泛关注和重视。本文在对计算流体力学及平台波浪爬升、近场干涉和气隙响应理论知识深入了解的基础上,采用计算流体力学软件(FINE/Marine)开展了两种波浪环境(规则波、不规则波),三种平台模式(固定模式、自由模式、系泊模式)共计72个计算工况的数值模拟计算,并结合自编程后处理软件给出了半潜式平台波浪爬升、近场干涉、气隙响应的数值预报分析研究。具体研究工作及结论如下:较为全面地分析了不同浪向角和波浪要素(入射波高、周期)下对波浪爬升沿立柱迎浪面和四立柱周向分布规律的影响;对比分析三种平台模式下平台立柱波浪爬升幅度及变化规律。结果表明:波浪爬升高度随着距立柱迎浪面距离的减小而增大,在立柱近壁面附近达到最大值,最大放大因素约为3.0,并出现波浪破碎和飞溅等强非线性现象;波浪爬升幅度随迎浪面面积增大而减小,浪向角β=0°时普遍较大;四立柱周向波浪爬升呈“W”形分布;运动模式对波浪爬升影响较大,平台固定模式波浪爬升效应较为明显,垂向三个自由度对波浪爬升起着决定性的作用。针对半潜式平台近场干涉现象,探讨了平台立柱和下浮体间发生近场干涉现象的一些基本规律;分析了不同平台模式、浪向角和波浪要素对四立柱间近场干涉影响;进一步研究了平台发生近场干涉现象时平台内场波面分布特征。结果表明:周期较小时,入射波、反射波、绕射波与结构运动的辐射波叠加较为频繁,波面升高较大;四立柱内场发生干涉后,波峰线出现弯曲,沿波浪传播方向出现峰谷值不对称现象;浪向角β=45°较其它浪向角近场干涉现象更为明显;平台系泊和自由模式比固定模式近场干涉引起的波面升高较大,波面分布较为复杂;波面升高极大值主要集中于迎浪面立柱前缘和后立柱内侧区域,最大波面升高可以达到入射波高的2.57倍。重点分析了不同浪向角和波浪要素对平台气隙响应的影响规律;对比统计三种平台模式下平台下甲板相同观测点的负气隙量变化情况,定量研究系泊系统对半潜式平台负气隙量大小和分布的影响;简要分析了平台悬链线张力的分布情况;详细研究平台非线性砰击效应以及不同平台模式、浪向角、波浪要素对砰击压强大小的影响。结果表明:相同周期下,负气隙量随入射波高的增加而增加;当入射波的谱峰周期与平台的垂向三个自由度的固有周期接近时,平台运动较为剧烈,负气隙量较大;相同海况下,平台垂向约束越强,负气隙越大,最大负气隙量达到8.64m;平台迎浪面两根悬链线的张力最大,最大张力达到2695.9k N;平台出现负气隙的区域主要发生在立柱迎浪面附近和下甲板的边缘处,只有在高海况下,下甲板中间区域才会出现负气隙量,产生较大砰击压强,非线性砰击现象较为明显。
【关键词】：半潜式平台 波浪爬升 近场干涉 气隙响应 粘流理论
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 波浪爬升研究现状14-17
• 1.2.2 近场干涉研究现状17-18
• 1.2.3 气隙响应研究现状18-20
• 1.3 本文研究的主要内容及创新点20-21
• 1.3.1 主要研究内容20-21
• 1.3.2 创新点21
• 1.4 本章小结21-22
• 第2章 数值模拟基本理论22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 计算流体力学原理22-23
• 2.3 CFD软件Fine/Marine的介绍23-25
• 2.3.1 Fine/Marine软件简介23-24
• 2.3.2 全六面体非结构网格生成器HEXPRESS24
• 2.3.3 不可压粘性流场ISIS-CFD求解器24
• 2.3.4 后处理工具CFView24-25
• 2.4 数值计算方法25-31
• 2.4.1 基本控制方程25-27
• 2.4.2 湍流模型27-29
• 2.4.3 数值离散方法29
• 2.4.4 自由液面捕捉法29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 半潜式平台波浪爬升数值预报分析32-66
• 3.1 引言32
• 3.2 半潜式平台模型的建立32-41
• 3.2.1 半潜式平台参数32-33
• 3.2.2 半潜式平台几何模型33-34
• 3.2.3 半潜式平台模型网格划分34-36
• 3.2.4 计算工况的设定36-38
• 3.2.5 系泊系统的设定38-39
• 3.2.6 波浪爬升观测点的选取39-40
• 3.2.7 数值求解和边界条件40-41
• 3.3 规则波作用下平台波浪爬升数值预报分析41-53
• 3.3.1 平台立柱迎浪面波浪爬升数值分析41-45
• 3.3.2 三种模式立柱迎浪面波浪爬升数值对比分析45-47
• 3.3.3 平台四立柱周围波浪爬升数值分析47-50
• 3.3.4 三种模式四立柱周围波浪爬升数值对比分析50-53
• 3.4 不规则波作用下平台波浪爬升数值预报分析53-64
• 3.4.1 平台立柱迎浪面观测点谱能数值分析54-57
• 3.4.2 三种模式立柱迎浪面观测点谱能数值对比分析57-58
• 3.4.3 平台立柱迎浪面波浪爬升“RAO”数值分析58-60
• 3.4.4 平台四立柱周围观测点谱能数值分析60-62
• 3.4.5 三种模式四立柱周围观测点谱能数值对比分析62-64
• 3.5 本章小结64-66
• 第4章 半潜式平台近场干涉效应研究66-87
• 4.1 引言66-67
• 4.2 近场干涉观测点的选取67
• 4.3 规则波作用下平台近场干涉效应研究67-77
• 4.3.1 平台四立柱间近场干涉效应研究67-71
• 4.3.2 平台四立柱间的波面分布71-77
• 4.4 不规则波作用下平台近场干涉效应研究77-85
• 4.4.1 平台四立柱间近场干涉效应研究77-81
• 4.4.2 平台四立柱间观测点的谱能分布81-85
• 4.5 本章小结85-87
• 第5章 半潜式平台气隙响应数值预报分析87-116
• 5.1 引言87
• 5.2 观测点选取87-89
• 5.3 规则波作用下平台气隙响应数值预报分析89-97
• 5.3.1 平台立柱迎浪面气隙数值分析90-92
• 5.3.2 三种模式立柱迎浪面气隙数值对比分析92-93
• 5.3.3 平台下甲板气隙数值分析93-97
• 5.4 不规则波作用下平台气隙响应数值预报分析97-104
• 5.4.1 平台立柱迎浪面气隙数值分析97-100
• 5.4.2 三种模式立柱迎浪面气隙数值对比分析100
• 5.4.3 平台下甲板气隙数值分析100-104
• 5.5 半潜式平台悬链线张力分析104-107
• 5.5.1 悬链线系泊系统理论104-106
• 5.5.2 悬链线张力分析106-107
• 5.6 半潜式平台砰击效应研究107-114
• 5.6.1 规则波作用下平台下甲板砰击数值分析110-112
• 5.6.2 不规则波作用下平台下甲板砰击数值分析112-114
• 5.7 本章小结114-116
• 总结与展望116-119
• 本文总结116-118
• 研究展望118-119
• 参考文献119-122

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