本文關鍵詞：新型深水多立柱FDPSO渦激運動特性研究

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【摘要】：隨著全球海上油氣開采的日益頻繁,海洋平臺渦激運動(VIM)受到越來越多學者的關注。本文在國內(nèi)外學者研究的基礎上采用理論分析、數(shù)值模擬與水池模型試驗的方法,由基礎到深入,對一新型深水多立柱FDPSO在不同來流方向及速度下平臺的繞流與渦激運動特性進行了較為深入的研究,分析了平臺受力情況、運動幅值、響應頻譜特性與運動軌跡等。首先,基于CFD計算軟件FLUENT建立三維單圓柱與變截面柱數(shù)值模型,通過分離渦模擬法進行不同流速下的單柱三維繞流數(shù)值模擬,分析兩種柱體附近流場特征、柱體表面壓力分布與升阻力系數(shù)的區(qū)別,并在此基礎上結合自編程序進行渦激運動數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn),在高雷諾數(shù)單柱繞流中,流場表現(xiàn)出較強的三維特性,圓柱繞流的升力與阻力系數(shù)均大于變截面柱;在折合速度6~9范圍內(nèi),變截面柱與圓柱都出現(xiàn)了鎖定現(xiàn)象,與此同時,變截面柱流向平衡位置隨著折合速度增加而增加;圓柱與變截面柱運動軌跡均出現(xiàn)典型的“8”字形;變截面柱尾渦模式在低折合速度下不明顯,在高折合速度下大概可歸納為2P模式。其次,以1:80縮尺比制作平臺縮尺模型,在上海交通大學海洋工程水池進行模型試驗,充分考慮到系泊系統(tǒng)等對平臺主體渦激運動的影響,突破了現(xiàn)有渦激運動相關試驗研究多在拖曳水池中簡化進行的局限。同時在單柱數(shù)值模擬的基礎上建立FDPSO整體數(shù)值模型,進行三維繞流與渦激運動數(shù)值模擬,對比研究FDPSO在不同來流方向及速度下平臺的繞流與渦激運動特性,研究表明,平臺繞流時旋渦主要集中在下游兩立柱周圍,并存在復雜的相互干擾現(xiàn)象;平臺整體升力系數(shù)頻域譜分析中出現(xiàn)多個譜峰,體現(xiàn)出復雜的三維特性;無論0°還是45°來流,平臺的平均阻力系數(shù)與升力系數(shù)均方根均保持在較為穩(wěn)定的區(qū)間;平臺的橫蕩運動頻率未出現(xiàn)典型“鎖定”現(xiàn)象,而是一直保持在接近固有橫蕩頻率的范圍內(nèi);在同一流向下,縱向運動的平衡位置與最大振幅均隨著折合速度的增加而增加;平臺的運動軌跡未呈現(xiàn)典型的“8”字形或“香蕉”形,較低流速下橫蕩占據(jù)主導位置,在高流速下縱蕩運動也變得不可忽略。再次,在模型試驗的基礎上對風浪流聯(lián)合作用下多立柱FDPSO的水動力特性進行研究,數(shù)值模擬采用DNV船級社的Sesam軟件。使用HydroD模塊完成水動力特征分析,將計算數(shù)據(jù)導入DeepC,計算平臺主體和系泊系統(tǒng)的耦合水動力結果,并與靜水衰減試驗、規(guī)則波和白噪聲試驗以及風浪流組合工況試驗結果進行對比分析。結果表明,在作業(yè)和自存工況下,平臺的垂蕩、縱蕩、橫蕩等運動最大幅值均小于相應規(guī)范的許用值;數(shù)值模型可靠,可以實現(xiàn)對FDPSO水動力特性的預報;新型FDPSO運動響應性能良好,系泊系統(tǒng)布置合理。最后,總結本文主要工作與研究內(nèi)容,并對此平臺渦激運動的更深入研究做進一步展望,并提出相關建議。
【關鍵詞】：多立柱 FDPSO 渦激運動 模型試驗 水動力特性
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U661.1;U674.38
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 第1章 緒論18-28
• 1.1 研究背景與意義18-21
• 1.1.1 海洋油氣資源開發(fā)現(xiàn)狀與趨勢18-19
• 1.1.2 FDPSO的發(fā)展與應用19-21
• 1.2 渦激運動概念21-23
• 1.2.1 多立柱海洋平臺渦激運動問題的提出21-22
• 1.2.2 多立柱平臺渦激運動特點22
• 1.2.3 渦激運動影響因素及特征參數(shù)22-23
• 1.3 平臺柱體渦激運動研究進展23-26
• 1.3.1 渦激運動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3.2 渦激運動研究及抑制方法25-26
• 1.4 本文主要工作與創(chuàng)新點26-27
• 1.5 本章小結27-28
• 第2章 渦激運動基本理論28-38
• 2.1 邊界層28-32
• 2.1.1 邊界層概念28-29
• 2.1.2 邊界層分離29
• 2.1.3 渦激運動機理29-30
• 2.1.4 繞流狀態(tài)與雷諾數(shù)30-32
• 2.2 渦激運動基本參數(shù)32-36
• 2.2.1 折合速度32
• 2.2.2 升力系數(shù)與阻力系數(shù)32-33
• 2.2.3 斯特羅哈數(shù)St33-34
• 2.2.4 響應幅值34-35
• 2.2.5 質(zhì)量比與阻尼比35
• 2.2.6 其它相關參數(shù)35-36
• 2.3 柱體渦激運動主要特性36-37
• 2.3.1 鎖定現(xiàn)象36
• 2.3.2 振蕩柱體的尾渦脫落結構36-37
• 2.4 本章小結37-38
• 第3章 圓柱與變截面柱繞流及渦激運動機理研究38-68
• 3.1 立柱繞流與VIM數(shù)值模擬方法38-43
• 3.1.1 有限體積法38-39
• 3.1.2 湍流模型39-40
• 3.1.3 柱體彈性系泊渦激運動力學方程40-41
• 3.1.4 動網(wǎng)格技術41
• 3.1.5 數(shù)值計算流程41-43
• 3.2 立柱繞流與渦激運動三維數(shù)值模擬43-47
• 3.2.1 研究對象43-44
• 3.2.2 計算域與網(wǎng)格劃分44-46
• 3.2.3 網(wǎng)格可靠性測試46-47
• 3.3 圓柱繞流特性47-52
• 3.3.1 圓柱尾流流場特征47-49
• 3.3.2 圓柱尾渦結構49
• 3.3.3 圓柱受力特征49-52
• 3.4 變截面柱繞流特性52-57
• 3.4.1 變截面柱尾流流場特征52-54
• 3.4.2 變截面柱尾渦結構54
• 3.4.3 變截面柱受力特征54-57
• 3.5 圓柱與變截面柱渦激運動響應57-66
• 3.5.1 圓柱幅值響應與譜分析57-60
• 3.5.2 變截面柱幅值響應與譜分析60-63
• 3.5.3 柱體渦激運動軌跡63-64
• 3.5.4 尾渦特性64-66
• 3.6 本章小結66-68
• 第4章 多立柱FDPSO渦激運動性能預報68-98
• 4.1 平臺簡介68-71
• 4.1.1 平臺主尺度68-70
• 4.1.2 系泊系統(tǒng)70
• 4.1.3 海洋環(huán)境70-71
• 4.2 模型試驗71-80
• 4.2.1 模型試驗布置71-72
• 4.2.2 系泊系統(tǒng)截斷設計72-74
• 4.2.3 風浪流的模擬74-76
• 4.2.4 測量儀器76-77
• 4.2.5 試驗工況77-80
• 4.3 三維繞流特性分析80-88
• 4.3.1 多立柱FDPSO三維數(shù)值建模80-81
• 4.3.2 平臺主體附近流場特征81-83
• 4.3.3 平臺表面受力特征83-84
• 4.3.4 阻力系數(shù)與升力系數(shù)84-86
• 4.3.5 尾渦結構86-88
• 4.4 渦激運動特性分析88-95
• 4.4.1 橫向渦激運動特性的分析88-91
• 4.4.2 橫向渦激運動鎖定區(qū)間91-92
• 4.4.3 縱向渦激運動特性的分析92-94
• 4.4.4 運動軌跡94-95
• 4.5 尾渦特性95-96
• 4.6 本章小結96-98
• 第5章 風浪流聯(lián)合作用下多立柱FDPSO水動力特性研究98-118
• 5.1 水動力計算分析原理98-99
• 5.2 多立柱FDPSO主體的水動力特性99-103
• 5.2.1 附加質(zhì)量99-100
• 5.2.2 輻射阻尼100-101
• 5.2.3 一階波浪力101-102
• 5.2.4 平均二階漂移力102-103
• 5.3 自由衰減、規(guī)則波和白噪聲103-109
• 5.3.1 計算模型103-104
• 5.3.2 自由衰減試驗和數(shù)值模擬104-106
• 5.3.3 規(guī)則波和白噪聲試驗106-109
• 5.4 風浪流組合環(huán)境條件下的平臺響應109-116
• 5.4.1 波浪環(huán)境條件的表達109-110
• 5.4.2 運動響應特性110-112
• 5.4.3 張力特性112-116
• 5.5 本章小結116-118
• 第6章 總結與展望118-122
• 6.1 全文總結118-120
• 6.2 研究展望120-122
• 參考文獻122-125
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文125-126
• 致謝126

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 詹昊;李萬平;方秦漢;李龍安;;不同雷諾數(shù)下圓柱繞流仿真計算[J];武漢理工大學學報;2008年12期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 谷家揚;張力腿平臺復雜動力響應及渦激特性研究[D];上海交通大學;2013年

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本文編號：986969