本文關鍵詞：深海平臺大幅慢漂運動的兩次展開求解方法　出處：《大連理工大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 兩次展開方法 時域 大幅慢漂運動 波浪漂移阻尼 海洋平臺

【摘要】：浮式海洋平臺(Spar,TLP,FPSO)在海上作業(yè)過程中會經受隨機波浪、風和水流等荷載的聯(lián)合作用。特別在不規(guī)則波浪下,各個頻率的波浪成分相互作用后會產生差頻以及和頻的高階波浪成分,其中波浪差頻往往會接近海洋平臺不同運動模態(tài)的自振頻率,從而引起結構的大幅低頻運動,這種大幅低頻運動會減少甚至終止有效鉆井作業(yè);而高頻項會引起結構高頻垂向振動響應,進而引起系泊纜索結構以及采油立管結構的疲勞問題�；谏鲜霰尘�,本文在勢流理論的框架下建立了全時域的波浪與結構物相互作用的兩次展開數值模型。本文以二維、三維拉普拉斯方程為基本控制方程建立了二階時域波浪與結構物相互作用的兩次展開二維、三維數值模型。物體的運動響應被分解為低頻振蕩和高頻振蕩兩部分,其中低頻振蕩部分的運動響應隨著計算的進行實時得到,稱之為低頻平均位置,隨后,物面邊界條件和自由水面邊界條件在低頻平均位置和和靜水面進行泰勒展開,物面網格和自由水面網格也隨著低頻平均位置時時平移,此時采用攝動展開分離級數的方法建立相應的一階、二階邊值問題,從而保證了這個攝動展開的參數滿足的小振幅的基本假設。速度勢分解為入射勢、散射勢以及定常擾動速度勢,其中散射勢和定常擾動速度勢通過格林第二定理建立相應的積分方程求得。隨后推導了波浪力的計算公式,建立了物體的運動方程。求解出物體運動響應之后,利用小波變換方法再次展開求出運動響應的低頻平均位置,作為下一時刻泰勒展開和攝動展開的平均位置,再進行攝動展開和泰勒級數展開,周而復始,直到計算時間滿足要求。從而實現時域內結構物大幅慢漂運動的求解。為了驗證兩次展開數值模型,本文首先驗證了平均位置模擬方法的正確性。通過與其他模擬方法的比較,建議采用基于小波變換的濾波方法來求解平均位置,而且通過計算可以發(fā)現,只要選取了恰當的小波尺度,即使使用不同的小波基函數,我們都可以獲得任意時間序列的平均位置。然后分別通過計算了二維浮體慢漂運動的運動響應、三維直立圓柱勻速前進運動時受到的波浪力和三維漂浮方箱慢漂運動的運動響應來驗證本模型,通過與其他學者解析方法、實驗數據以及完全非線性方法的對比,證明了本模型在大幅慢漂運動中的計算結果是正確的。接下來分別采用兩次展開方法和基于初始平衡位置的攝動展開方法計算了簡單結構物在單向波浪中發(fā)生大幅運動時的波浪力和運動響應,兩種方法的計算結果相比有較大區(qū)別,證明兩次展開方法的正確性。在計算單色波浪中圓柱的大幅強迫運動時,此時入射波浪與結構物之間的遭遇頻率會時時發(fā)生變化,從而導致波浪力的幅值和相位也發(fā)生變化,這些變化在兩次展開方法得到的計算結果中均有明顯體現,而在直接展開方法的計算結果中卻無法獲得。接著計算雙色波與線剛度約束下截斷圓柱的耦合作用,比較了兩種方法計算產生的運動響應,分別研究了雙色波波幅差和角頻率對運動響應的影響。發(fā)現采用兩次展開方法得到的計算結果與采用直接展開方法得到的運動響應有較大區(qū)別,并進行了相應的解釋,證明了兩次展開方法更能反映結構物在大幅慢漂時的運動特征,更有實際意義。本文最后一部分介紹了兩次展開方法數值模型在實際海洋平臺中的應用,分別計算了雙色波與Spar平臺的耦合作用以及風和不規(guī)則波與半潛平臺的耦合作用。計算結果包括了平臺受到的波浪力、平臺的運動響應、系泊纜索頂端張力以及波面三維等值線圖等。通過研究雙色波浪與Spar平臺的耦合作用,發(fā)現由于波浪漂移阻尼的影響,海洋平臺大幅慢漂運動時自振頻率向低頻運動偏移,而這種現象在直接展開方法的結果中無法體現,從而說明采用直接展開方法計算大幅慢漂運動是不準確的;最后通過研究風和不規(guī)則波與海洋石油981半潛平臺的耦合作用,對海洋平臺小幅運動與大幅運動時兩種方法的計算結果進行了對比分析,證明了在大幅運動時,兩次展開方法得到的結果更加可靠,并據此針對半潛平臺在實際海浪中的布置給出了建議。
[Abstract]:Floating platforms (Spar, TLP, FPSO) in the offshore operation process will be subjected to random wave, the combined effects of wind and current loads. Especially in irregular waves, high order wave component of each frequency wave component interaction will produce difference frequency and frequency, the wave frequency difference frequency often close to the ocean platform in different movement modes, thus causing a low frequency motion structure, such a low frequency motion can be reduced or even termination of drilling operations; and a high frequency can cause high frequency vertical vibration response, and cause fatigue problem of mooring cable structure and oil riser structure. Based on the above background, in the framework of this article the potential flow theory was established under the two expansion numerical model of wave diffraction and full time domain interaction. In this paper, two-dimensional, three-dimensional Laplasse equation to establish order two The two launched a two-dimensional time-domain wave structure interaction, a three-dimensional numerical model. The motion response is decomposed into two parts of low frequency oscillation and high frequency oscillation, the low frequency oscillation part of the motion response calculation with real time, called the low average position, then the boundary condition and the free surface boundary condition in the low average position and static water Taylor expansion, surface mesh and free surface grid with low average position from time to time shift, the perturbation method of dynamic expansion separation series to establish the first order corresponding to the two order boundary value problem, so as to ensure the basic assumption of small amplitude parameters to meet the perturbation of the. The velocity potential decomposition for incident potential, scattering potential and stationary disturbance velocity potential, the scattering potential and the constant disturbance velocity potential to establish the corresponding integral Fang Chengqiu Green second theorem Then the calculation formula. The wave force is established, equations of motion objects. After solving the motion response, using wavelet transform method to start again for low frequency average position of motion response, as the next time Taylor expansion and perturbation of the average position, then the perturbation and Taylor series expansion. Again and again, until the calculation time to meet the requirements. So as to realize the time domain structure a slow drift motion is solved. In order to verify the two expansion of the numerical model, this paper verifies the correctness of the simulation method of average position. By comparison with other simulation methods, proposed to solve the average filtering method based on wavelet transform, and by the calculation can be found, as long as the selected wavelet scale is appropriate, even using different wavelet functions, we can get the time series average position Then through the calculation of two-dimensional floating body slow motion response drift, to validate the model response of wave force by 3D uniform forward movement of the vertical cylinder and three-dimensional floating box of slow drift motion, and other scholars through analytic method, comparison of experimental data and non linear method, proved this model in the calculation of a slow drift motion in the result is correct. Then using the two expansion method and based on the initial equilibrium position of the perturbation response dynamic expansion method simple structure calculation of large movements occurred in the one-way wave force and motion, the results of the two methods compared with different correctness proof the two expansion method. In a forced motion in wave calculation of cylindrical monochromatic, encounter frequency between this incident wave and structures will always change, resulting in The amplitude and phase of wave force changes, these changes are in the calculation results obtained in the two expansion method is evident, but not in the results of direct expansion methods. Then calculate the coupling effect of the truncated cylinder bichromatic wave and line stiffness under the constraint of response compares two methods of calculation the effect of exercise, double color difference wave amplitude and angular frequency of motion response are studied. The calculation results of two expansion obtained by direct expansion method and the motion response is quite different, and the corresponding explanation, proved the two expansion method can reflect the structure of the motion feature a slow drift of more practical significance. The last part of this paper introduces the application of the two expansion method in practical numerical model of offshore platform, Spar platform and bichromatic wave coupling were calculated. Cooperation and irregular waves and wind and semi submersible platform coupling effect. The results including the wave force by the platform, the platform motion response and mooring line tension at the top and three-dimensional wavefront contour map. By coupling of bichromatic waves and Spar platform, found that due to the impact of the wave drift damping of the ocean a slow drift motion platform vibration frequency to the low frequency motion deviation, and this phenomenon in direct expansion method can not reflect the results, so that the calculation by direct expansion method a slow drift movement is not accurate; finally, through the research of irregular waves and wind and ocean petroleum 981 semi submersible platform coupling calculation the offshore platform slightly movement and large amplitude motion and the results of the two methods were compared, proved in a campaign, two expansion method get more reliable results, and according to the needle The layout of the semi submersible platform in the actual sea waves is given.

【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P751

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