新概念沙漏型FPSO垂荡阻尼的CFD数值计算

发布时间：2020-09-17 14:58

　　新概念沙漏型FPSO运动性能优良,具有十分广阔的应用前景。垂荡运动响应是沙漏型FPSO运动性能评价的重要指标,粘性阻尼对其垂荡运动响应有很大影响。本文以沙漏型FPSO的垂荡运动阻尼为研究对象,通过数值模拟自由衰减垂荡运动和强迫垂荡运动,研究其垂荡运动阻尼。首先,建立了一套有效可行的沙漏型FPSO垂荡运动数值仿真的网格划分方案和算法模型,并采用试验结果验证了数值模型的正确性。进一步研究了沙漏型FPSO自由衰减垂荡运动的缩尺效应,结果表明,缩比模型的数值结果可以用于研究实际工程尺度的沙漏型FPSO浮体的垂荡运动阻尼特性。其次,基于自由衰减运动研究了沙漏型FPSO外形与运动阻尼的关系。通过正交试验方法研究了水线半径、下倾角和排水量三个外形参数及其交互作用对垂荡自由衰减系数的影响,结果表明,各参数的交互作用对垂荡自由衰减系数影响很小可以忽略,此外排水量、下倾角和水线半径对垂荡自由衰减系数的影响分别为高度显著、显著和较显著。在此基础上,进行了外形对垂荡自由衰减系数影响的单因素分析,结果表明,垂荡衰减系数随着下倾角和排水量的增大而减小,且在下倾角较大和排水量较小时更为敏感,垂荡衰减系数随水线半径增大而增大,但并不敏感。并通过拟合方法得到了垂荡自由衰减系数的估算公式,可用于沙漏型FPSO的初步外形设计。最后,还研究了月池和切角对沙漏型FPSO垂荡自由衰减系数的影响,结果表明,在本文沙漏型浮体的基础上加开月池,月池对垂荡衰减系数影响很小,对垂荡固有周期影响较大,且固有周期随着月池半径的增大而增大;切角对垂荡自由衰减系数影响较小,对固有周期影响较大,切角会使沙漏型FPSO的垂荡固有周期变小。然后,进行了沙漏型FPSO强迫垂荡运动特性的数值研究。通过分析不同运动幅值的数值结果发现,沙漏型FPSO外形使其垂荡辐射问题具有很强的非线性,且运动幅值越大,非线性越强。将基于势流理论的辐射阻尼和由无粘CFD方法得到的阻尼进行对比发现,二者差别的主要来源是沙漏型FPSO改变运动方向时底部边缘产生的漩涡及局部流场。对比无粘和有粘下的阻尼,结果表明流体粘性对阻尼的影响很小,即粘性引起的阻尼成分很小。在基于势流理论进行运动响应预报时,需采用强迫运动方法或自由衰减方法进行阻尼修正,对此进行研究发现,由强迫运动方法得到的阻尼修正值随着运动幅值的增大而变大;当运动幅值较小时,在南海10年一遇到200年一遇的恶劣台风海况的波浪谱峰频率范围内,采用小振幅强迫运动方法和自由衰减方法得到的阻尼修正结果基本一致,对于更大的运动频率,整体上小振幅强迫运动方法得到的阻尼修正值小于由自由衰减方法得到的阻尼修正值。最后,采用CFD方法研究了沙漏型FPSO的wave free特性。Wave free频率处,FPSO垂荡运动辐射出的波浪十分小,等效辐射阻尼很小。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE95

【相似文献】