本文關(guān)鍵詞：深水鉆井船水動力性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著海洋油氣開發(fā)逐步走向深水，對于深海油氣鉆探系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為熱點問題。與其他海洋平臺相比，鉆井船具有機動性能好，可變載荷大，自持能力強等優(yōu)點，適合在全球范圍內(nèi)不同海域連續(xù)作業(yè)，在深海油氣開發(fā)中得到了廣泛地應用。又由于鉆井船受風浪影響較大，為了提高開工效率，對其進行深入的水動力性能研究十分必要。 本文采用理論研究、模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對一艘最新設(shè)計的深水鉆井船的總體水動力性能及其月池內(nèi)的流體運動進行深入系統(tǒng)的研究。其中模型試驗在上海交通大學深水試驗池完成，縮尺比為1:50；數(shù)值計算方法包括三維勢流理論數(shù)值計算和CFD數(shù)值模擬。 對于深水鉆井船的總體水動力性能，本文首先采用三維勢流理論對其進行頻域分析，，得到了運動響應幅值算子（RAO）、平均波浪漂移力，以及垂向運動的短期預報，數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗吻合較好。鉆井船垂蕩RAO在7.6s左右出現(xiàn)峰值，是受到了月池內(nèi)流體活塞運動的影響；縱搖RAO在180度浪向角下的峰值周期大約為12秒，偏離了縱搖固有周期，是受到了月池內(nèi)流體晃蕩運動的影響。平均波浪漂移力主要集中在5秒至14秒。然后采用頻域轉(zhuǎn)時域的方法，對深水鉆井船進行了時域數(shù)值分析，得到了不同海洋環(huán)境條件下的運動性能，時域分析結(jié)果與模型試驗結(jié)果有一定的差異，但在允許范圍內(nèi)。垂蕩運動響應在迎浪狀態(tài)下較小，橫浪狀態(tài)下較大，并且在受到風和流作用時會略微增大；縱搖運動對于浪向角和風流載荷不很敏感；橫搖運動在斜浪狀態(tài)小于橫浪狀態(tài)，且在受到風流作用時會增加平均橫傾，但運動幅值有所減小。 對于月池內(nèi)的流體運動，文本采用CFD數(shù)值模擬進行研究。首先建立了基于NS方程和VOF法的數(shù)值波浪水池，實現(xiàn)了鉆井船與波浪的耦合運動，然后分別分析了方形與長形月池內(nèi)的流場特征。其中，方形月池內(nèi)的流體以垂向運動為主，即發(fā)生活塞運動，它會在共振狀態(tài)下受到月池本身的激勵而放大，并會增加船體的垂蕩運動幅值，另外，船體運動也會加劇月池內(nèi)的流體運動。長形月池內(nèi)流體運動既有垂向運動，又有水平運動，目標鉆井船月池后端的臺階結(jié)構(gòu)會導致較大的波面升高幅值，月池活塞振蕩的固有周期為7.6秒，流體強烈的垂向運動導致了船體垂蕩運動RAO的一個峰值，月池晃蕩的固有周期在12秒左右，流體強烈的晃蕩運動導致了船體在180度浪向角下的縱搖運動RAO的峰值偏離了其固有周期。通過與模型試驗結(jié)果和勢流方法計算結(jié)果的對比，驗證了CFD模擬的準確性、可靠性以及必要性。另外，本文還通過模型試驗方法，對不規(guī)則波作用下月池內(nèi)波面升高進行分析，發(fā)現(xiàn)格柵式阻尼板可以有效地減小月池內(nèi)波面升高。 綜上所述，本文對深水鉆井船總體水動力性能及其月池內(nèi)的流體運動展開了系統(tǒng)深入的研究，并得到了很多有意義的結(jié)論，為我國掌握深水鉆井船關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
【關(guān)鍵詞】：鉆井船 水動力性能 模型試驗 月池 數(shù)值波浪水池 CFD
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：U674.381
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鉆井船概述13-16
• 1.2.1 鉆井船的特定13-14
• 1.2.2 鉆井船的發(fā)展14-16
• 1.3 鉆井船的月池結(jié)構(gòu)及其研究現(xiàn)狀16-18
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容18-20
• 1.4.1 研究背景和意義18-19
• 1.4.2 研究內(nèi)容及方法19
• 1.4.3 論文的創(chuàng)新性19-20
• 第二章 數(shù)值計算基本理論20-39
• 2.1 三維勢流理論20-33
• 2.1.1 坐標系定義20-21
• 2.1.2 速度勢問題21-25
• 2.1.3 頻域計算25-28
• 2.1.4 時域分析28-33
• 2.2 CFD 求解理論33-38
• 2.2.1 一般控制方程33
• 2.2.2 邊界條件及初始條件33
• 2.2.3 自由液面的模擬33-34
• 2.2.4 物體表面的捕捉34-35
• 2.2.5 控制方程35
• 2.2.6 方程的離散35-36
• 2.2.7 船體耦合運動的求解36-38
• 2.3 本章小結(jié)38-39
• 第三章 深水鉆井船模型試驗研究39-56
• 3.1 試驗研究基礎(chǔ)39-41
• 3.1.1 坐標系39-40
• 3.1.2 相似法則40-41
• 3.2 模型制作41-44
• 3.2.1 鉆井船模型41-44
• 3.2.2 水平系泊系統(tǒng)模型44
• 3.3 海洋環(huán)境條件模擬44-48
• 3.3.1 風的模擬45
• 3.3.2 海流的模擬45
• 3.3.3 波浪的模擬45-48
• 3.4 模型試驗內(nèi)容48-51
• 3.4.1 靜水試驗48-50
• 3.4.2 波浪試驗50-51
• 3.5 結(jié)果與分析51-55
• 3.5.1 靜水衰減試驗結(jié)果51-53
• 3.5.2 系泊系統(tǒng)剛度試驗結(jié)果53-54
• 3.5.3 風載荷和流載荷試驗結(jié)果54-55
• 3.6 本章小結(jié)55-56
• 第四章 鉆井船總體水動力性能分析56-77
• 4.1 鉆井船頻域水動力性能分析56-68
• 4.1.1 水動力分析模型56-57
• 4.1.2 運動響應幅值算子（RAO）分析57-62
• 4.1.3 鉆井船平均波浪漂移力研究62-64
• 4.1.4 鉆井船垂向運動的頻域短期預報計算64-68
• 4.2 鉆井船時域水動力性能分析68-76
• 4.2.1 鉆井船垂蕩運動分析69-72
• 4.2.2 鉆井船縱搖運動分析72-74
• 4.2.3 鉆井船橫搖運動分析74-76
• 4.3 本章小結(jié)76-77
• 第五章 鉆井船月池內(nèi)流體運動研究77-98
• 5.1 數(shù)值波浪水池77-82
• 5.1.1 二維數(shù)值波浪水槽與網(wǎng)格測試77-79
• 5.1.2 消波方式79-80
• 5.1.3 三維數(shù)值波浪水池80-82
• 5.2 方形月池內(nèi)流體運動的 CFD 數(shù)值模擬82-88
• 5.2.1 船體模型82
• 5.2.2 數(shù)值波浪水池82-83
• 5.2.3 月池內(nèi)的流體運動83-87
• 5.2.4 船體在波浪中的耦合運動87-88
• 5.3 長形月池內(nèi)流體運動的 CFD 數(shù)值模擬88-93
• 5.3.1 鉆井船模型88
• 5.3.2 鉆井船在波浪中的耦合運動88-89
• 5.3.3 月池內(nèi)的流體運動89-93
• 5.4 不規(guī)則波作用下月池內(nèi)波面升高的試驗研究93-94
• 5.5 阻尼板減小月池內(nèi)流體運動的試驗研究94-97
• 5.6 本章小結(jié)97-98
• 第六章 總結(jié)與展望98-101
• 6.1 主要研究工作總結(jié)及結(jié)論98-100
• 6.2 進一步研究工作與展望100-101
• 參考文獻101-104
• 攻讀碩士學位期間已發(fā)表或錄用的論文104-105
• 致謝105

【參考文獻】

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本文編號：283674