發(fā)布時間：2017-10-11 14:42

  本文關鍵詞：南海深水導管架復合式深吃水半潛平臺水動力及渦激運動（VIM）特性研究

  更多相關文章： 深吃水半潛平臺 導管架 非線性耦合分析 模型試驗 渦激運動 干式采用樹

【摘要】：隨著世界經濟的快速發(fā)展，人類對石油、天然氣等能源的需求不斷加深，石油的開采和利用已經成為了國際經濟性和可持續(xù)性發(fā)展的焦點問題。陸地采油已經有多年歷史，面臨著陸地采油枯竭的危險，近海采油也已經發(fā)展多年，為了經濟的可持續(xù)性發(fā)展，解決能源危機，人類已經將目光放在深海、超深海的油氣開采上面。深海油氣資源豐富，但是開采難度加深，深海油氣開發(fā)是現今人類面臨的一大機遇同時也是一項挑戰(zhàn)。 為了解決深海勘探和采油的各項困難，作為深海勘探和采油的媒介-浮式生產和鉆井結構不斷受到了人類的重視，就浮式結構的設計、性能研究等方面研究者前赴后繼地展開了一系列的工作。南海油氣資源豐富，然而環(huán)境條件惡劣，為了設計出適應該海域環(huán)境條件且性能良好的平臺概念，研究者們就開發(fā)新型的平臺概念、提出改善平臺運動性能方法等方面進行了不懈的努力。深海半潛式鉆井平臺由于其抗風能力大，適應水深范圍較廣，甲板面積大，裝載能力強，有助于合理生產設施布置，可實現上船體碼頭安裝和整體拖航，鉆井能力強等特點，在深海油氣開發(fā)中得到了廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)的深海半潛式平臺垂蕩性能較差，并不能作為支撐干式采油樹的平臺主體，為了結合干式采油樹和半潛平臺的優(yōu)點，研究者們就提高半潛平臺垂蕩性能方面提出了很多有利的措施。 導管架復合式深吃水半潛平臺（Jacket combined deep-draft semi-submersibleplatform, JCDDS）是以適應南海惡劣環(huán)境、支撐干式采油樹為目的而設計出來的新型的深吃水平臺概念。該平臺概念水下結構不僅包括傳統(tǒng)的深吃水半潛結構（即浮筒、立柱等結構），而且加入了導管架的設計。二者通過底部浮筒四個內對角區(qū)域進行連接。導管架的設計主要用來提高平臺的穩(wěn)性，增加平臺的氣息，同時確保該部分不會對平臺主體的各方面性能造成較大的負面影響。作為新型的平臺概念，研究平臺主體的全方面的水動力性能、及其與錨泊系統(tǒng)的耦合動力特性以及渦激運動特性（Vortex-induced Motion, VIM）等具有非常重要的意義。同時，在南海海域不同海況下平臺及其錨泊系統(tǒng)的水動力特性直接影響著該平臺概念的優(yōu)劣，深入了解平臺及其系泊系統(tǒng)的特性，提出不斷改善性能的方法，均具有非常重要的意義。 渦激運動是半潛平臺為了改善垂蕩運動而增加平臺吃水而帶來的一個負面效應。吃水增加，使水下立柱高度增加，增加了海流與立柱之間的相互影響。渦激運動是由于流體繞過鈍體產生周期性的泄渦而引起的橫向運動，主要特點包括運動周期長、橫向響應幅值大等。由于渦激運動對立柱和錨泊系統(tǒng)疲勞壽命產生的負面影響而受到了廣泛的關注。本平臺概念采用增加吃水的方法來提高平臺的垂蕩性能，因此分析平臺的渦激運動性能具有十分重要的意義，更好的了解渦激運動特性，為提出抑制渦激運動的影響提供依據。 本文以該新型平臺主體為研究對象，同時展開南海海域不同環(huán)境工況下平臺主體及其錨泊系統(tǒng)的全方面水動力性能和VIM特性的研究，致力于提出提高平臺垂蕩性能的方法，同時初步確定平臺的VIM特性。論文主要包括以下幾方面的工作： （1）半潛平臺概念及其系泊系統(tǒng)的水動力性能分析 通過開展模型實驗，包括靜水衰減試驗、白噪聲試驗、不同海況下的風浪流實驗等，，可以得到平臺主體六自由度運動頻域特性，不同海況下時歷運動和錨泊系統(tǒng)完整系泊和一根破斷系纜力等參數。 利用三維繞射理論和Morison公式，對平臺及其錨泊系統(tǒng)開展數值模擬，包括時域耦合分析和頻域分析兩個方面。利用模型實驗所得結果驗證數值模型和所用方法的準確性。首先，計算了平臺的頻域特性，得到了不同波浪頻率不同浪向下的運動響應幅值算子（RAO），不同波浪頻率下的附加質量和阻尼系數等水動力參數。頻域中所得的水動力參數組成了數據庫，為后續(xù)的平臺及其系泊系統(tǒng)在不同海況風浪流作用下的時域耦合分析提供了基礎。隨后，對一年一遇、十年一遇和百年一遇南海環(huán)境工況分別于完整系泊和一根破斷系泊情況進行了時域耦合分析，對平臺運動時歷、運動響應譜、系纜受力情況等進行了對比分析。 結合模型實驗和數值模擬的結果，可以對平臺主體及其系泊系統(tǒng)的水動力特性進行全面研究，分析不同環(huán)境工況對平臺系統(tǒng)的運動和動力特性產生的影響，可以為平臺的設計、性能完善以及安全評估等提供依據。 （2）新型平臺概念參數敏感性分析 不同的參數對平臺及其系泊系統(tǒng)的運動和動力特性具有不同的影響。本文著重分析了重心高度、導管架以及改善平臺垂蕩性能的兩種方法對平臺系統(tǒng)產生的影響。首先，在頻域內分析了重心高度對平臺六自由運動產生的影響；隨后，基于工程和設計的考慮，在時域和頻域內分析了導管架的存在對平臺及其錨泊系統(tǒng)垂蕩、橫搖和縱搖垂直面內的運動、響應譜等產生的影響；最后，就增加吃水和增加平臺局部結構面積來提高平臺垂蕩運動性能的兩種方法對平臺垂蕩產生的影響進行了對比分析。 （3）渦激運動（VIM）特性分析 本文根據方柱固定繞流和方柱渦激運動數值模擬，從機理上研究VIM現象，解釋VIM現象的內在機制。首先采用CFD方法建立數值模型，模擬Re在50000~765000下的方柱繞流，與現有圓柱繞流的結果進行對比，分析二者的主要區(qū)別，并分析單柱主要的受力特性、運動響應幅值以及運動軌跡等結果，為進一步研究四柱式深吃水半潛平臺的VIM特性提供基礎，驗證所用數值模型和方法的正確性。 運用方柱繞流所用的數值方法，對0度、45度兩個角度下的四柱深吃水半潛平臺的VIM特性進行進一步研究。主要雷諾數范圍集中在10000~100000內。采用CFD的方法建立數值模型，分析固定四柱式平臺的受力特性和泄渦特性，同時對單自由度下平臺在錨泊系統(tǒng)剛度作用下的渦激運動特性進行分析，對四柱式平臺繞流的主要運動響應幅值、受力特性等進行分析，為南海海流作用下平臺的渦激運動響應提供依據。
【關鍵詞】：深吃水半潛平臺 導管架 非線性耦合分析 模型試驗 渦激運動 干式采用樹
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U661.1;U674.381
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-29
• 1.1 引言14
• 1.2 深水半潛平臺的發(fā)展及應用14-20
• 1.2.1 各類平臺簡介和特點14-17
• 1.2.2 新型深水半潛平臺的研究進展17-19
• 1.2.3 系泊系統(tǒng)簡介19-20
• 1.3 渦激運動介紹20-26
• 1.3.1 多柱式平臺渦激運動的提出20-21
• 1.3.2 渦激運動的主要影響因素和描述 VIM 的主要參數21-24
• 1.3.3 多柱式平臺渦激運動的研究進展24-26
• 1.4 本文主要研究內容26-27
• 1.5 主要創(chuàng)新性27-28
• 1.6 本章小結28-29
• 第二章 數值計算理論基礎29-47
• 2.1 三維勢流理論29-30
• 2.1.1 坐標系的定義29
• 2.1.2 控制方程及邊界條件29-30
• 2.2 速度勢的求解30-32
• 2.3 頻域分析32-35
• 2.3.1 頻域運動方程32-33
• 2.3.2 頻域水動力參數33-35
• 2.4 時域耦合分析35-38
• 2.4.1 時域運動方程35-37
• 2.4.2 風、流載荷37
• 2.4.3 Morison 公式37-38
• 2.4.4 耦合分析38
• 2.5 渦激運動理論基礎38-42
• 2.5.1 理想流體與粘性流體38
• 2.5.2 層流和湍流38-39
• 2.5.3 流體動力學控制方程39-40
• 2.5.4 鈍體繞流40-42
• 2.6 渦激運動數值求解方法42-46
• 2.6.1 雷諾平均的 Navier-Stokes（RANS）方程42
• 2.6.2 湍流模型42-43
• 2.6.3 VIM 數值模擬方法43-46
• 2.7 本章小結46-47
• 第三章 JCDDS 模型試驗研究47-61
• 3.1 相似法則47-49
• 3.2 坐標系定義49
• 3.3 JCDDS 模型介紹49-50
• 3.4 錨泊系統(tǒng)50-54
• 3.5 實驗測量內容和儀器54-56
• 3.5.1 實驗測量內容54
• 3.5.2 實驗設備及儀器54-56
• 3.6 海洋環(huán)境條件模擬56-60
• 3.6.1 水深模擬56-57
• 3.6.2 風的模擬57
• 3.6.3 流的模擬57
• 3.6.4 波浪的模擬57-60
• 3.7 本章小結60-61
• 第四章 平臺水動力及錨泊系統(tǒng)數值模擬61-81
• 4.1 坐標系和數值模型61-62
• 4.2 頻域水動力分析62-66
• 4.2.1 固有周期和阻尼系數62-63
• 4.2.2 六自由度運動 RAOs63-64
• 4.2.3 六自由度模態(tài)附加質量和勢流阻尼系數64-66
• 4.3 時域耦合分析66-80
• 4.3.1 模型實驗與數值模擬對比分析67-69
• 4.3.2 十年一遇海況69-75
• 4.3.3 百年一遇生存海況75-80
• 4.4 本章小結80-81
• 第五章 參數敏感性分析81-91
• 5.1 重心高度的影響81-82
• 5.2 導管架的影響導管架對垂直平面運動的影響82-85
• 5.3 吃水和增加局部面積對垂蕩產生的影響85-90
• 5.3.1 吃水的影響85-87
• 5.3.2 增加局部面積的影響87-90
• 5.4 本章小結90-91
• 第六章 渦激運動（VIM）響應特性分析91-114
• 6.1 方柱渦激運動數值模擬91-103
• 6.1.1 數值模型和網格劃分91-94
• 6.1.2 方柱固定繞流數值模擬94-98
• 6.1.3 方柱 VIM 數值模擬98-103
• 6.2 深吃水四柱式半潛平臺渦激運動（VIM）響應特性分析103-112
• 6.2.1 數值模型介紹103-104
• 6.2.2 網格測試和時間步長104-106
• 6.2.3 平臺固定繞流數值模擬106-111
• 6.2.4 平臺 VIM 數值模擬111-112
• 6.3 本章小結112-114
• 第七章 總結和展望114-118
• 7.1 主要研究工作總結及結論114-117
• 7.2 展望117-118
• 參考文獻118-124
• 攻讀碩士學位期間已發(fā)表或錄用的論文124-125
• 致謝125

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前2條

1 劉海霞;;深海半潛式鉆井平臺的發(fā)展[J];船舶;2007年03期

2 姜哲;謝彬;謝文會;;新型深水半潛式生產平臺發(fā)展綜述[J];海洋工程;2011年03期

中國博士學位論文全文數據庫 前1條

1 張帆;深海立柱式平臺概念設計及水動力性能研究[D];上海交通大學;2008年

本文編號：1013102