本文關(guān)鍵詞：南海深水導(dǎo)管架復(fù)合式深吃水半潛平臺(tái)水動(dòng)力及渦激運(yùn)動(dòng)（VIM）特性研究

  更多相關(guān)文章： 深吃水半潛平臺(tái) 導(dǎo)管架 非線性耦合分析 模型試驗(yàn) 渦激運(yùn)動(dòng) 干式采用樹

【摘要】：隨著世界經(jīng)濟(jì)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(jīng)成為了國際經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性發(fā)展的焦點(diǎn)問題。陸地采油已經(jīng)有多年歷史，面臨著陸地采油枯竭的危險(xiǎn)，近海采油也已經(jīng)發(fā)展多年，為了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，解決能源危機(jī)，人類已經(jīng)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(xiàn)今人類面臨的一大機(jī)遇同時(shí)也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。 為了解決深�？碧胶筒捎偷母黜�(xiàng)困難，作為深�？碧胶筒捎偷拿浇�-浮式生產(chǎn)和鉆井結(jié)構(gòu)不斷受到了人類的重視，就浮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)出適應(yīng)該海域環(huán)境條件且性能良好的平臺(tái)概念，研究者們就開發(fā)新型的平臺(tái)概念、提出改善平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能方法等方面進(jìn)行了不懈的努力。深海半潛式鉆井平臺(tái)由于其抗風(fēng)能力大，適應(yīng)水深范圍較廣，甲板面積大，裝載能力強(qiáng)，有助于合理生產(chǎn)設(shè)施布置，可實(shí)現(xiàn)上船體碼頭安裝和整體拖航，鉆井能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在深海油氣開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的深海半潛式平臺(tái)垂蕩性能較差，并不能作為支撐干式采油樹的平臺(tái)主體，為了結(jié)合干式采油樹和半潛平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，研究者們就提高半潛平臺(tái)垂蕩性能方面提出了很多有利的措施。 導(dǎo)管架復(fù)合式深吃水半潛平臺(tái)（Jacket combined deep-draft semi-submersibleplatform, JCDDS）是以適應(yīng)南海惡劣環(huán)境、支撐干式采油樹為目的而設(shè)計(jì)出來的新型的深吃水平臺(tái)概念。該平臺(tái)概念水下結(jié)構(gòu)不僅包括傳統(tǒng)的深吃水半潛結(jié)構(gòu)（即浮筒、立柱等結(jié)構(gòu)），而且加入了導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)。二者通過底部浮筒四個(gè)內(nèi)對角區(qū)域進(jìn)行連接。導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)主要用來提高平臺(tái)的穩(wěn)性，增加平臺(tái)的氣息，同時(shí)確保該部分不會(huì)對平臺(tái)主體的各方面性能造成較大的負(fù)面影響。作為新型的平臺(tái)概念，研究平臺(tái)主體的全方面的水動(dòng)力性能、及其與錨泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力特性以及渦激運(yùn)動(dòng)特性（Vortex-induced Motion, VIM）等具有非常重要的意義。同時(shí)，在南海海域不同海況下平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性直接影響著該平臺(tái)概念的優(yōu)劣，深入了解平臺(tái)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(yùn)動(dòng)是半潛平臺(tái)為了改善垂蕩運(yùn)動(dòng)而增加平臺(tái)吃水而帶來的一個(gè)負(fù)面效應(yīng)。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(yùn)動(dòng)是由于流體繞過鈍體產(chǎn)生周期性的泄渦而引起的橫向運(yùn)動(dòng)，主要特點(diǎn)包括運(yùn)動(dòng)周期長、橫向響應(yīng)幅值大等。由于渦激運(yùn)動(dòng)對立柱和錨泊系統(tǒng)疲勞壽命產(chǎn)生的負(fù)面影響而受到了廣泛的關(guān)注。本平臺(tái)概念采用增加吃水的方法來提高平臺(tái)的垂蕩性能，因此分析平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)性能具有十分重要的意義，更好的了解渦激運(yùn)動(dòng)特性，為提出抑制渦激運(yùn)動(dòng)的影響提供依據(jù)。 本文以該新型平臺(tái)主體為研究對象，同時(shí)展開南海海域不同環(huán)境工況下平臺(tái)主體及其錨泊系統(tǒng)的全方面水動(dòng)力性能和VIM特性的研究，致力于提出提高平臺(tái)垂蕩性能的方法，同時(shí)初步確定平臺(tái)的VIM特性。論文主要包括以下幾方面的工作： （1）半潛平臺(tái)概念及其系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力性能分析 通過開展模型實(shí)驗(yàn)，包括靜水衰減試驗(yàn)、白噪聲試驗(yàn)、不同海況下的風(fēng)浪流實(shí)驗(yàn)等，，可以得到平臺(tái)主體六自由度運(yùn)動(dòng)頻域特性，不同海況下時(shí)歷運(yùn)動(dòng)和錨泊系統(tǒng)完整系泊和一根破斷系纜力等參數(shù)。 利用三維繞射理論和Morison公式，對平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)開展數(shù)值模擬，包括時(shí)域耦合分析和頻域分析兩個(gè)方面。利用模型實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模型和所用方法的準(zhǔn)確性。首先，計(jì)算了平臺(tái)的頻域特性，得到了不同波浪頻率不同浪向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子（RAO），不同波浪頻率下的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)等水動(dòng)力參數(shù)。頻域中所得的水動(dòng)力參數(shù)組成了數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)在不同海況風(fēng)浪流作用下的時(shí)域耦合分析提供了基礎(chǔ)。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(jìn)行了時(shí)域耦合分析，對平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)歷、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜、系纜受力情況等進(jìn)行了對比分析。 結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，可以對平臺(tái)主體及其系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性進(jìn)行全面研究，分析不同環(huán)境工況對平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性產(chǎn)生的影響，可以為平臺(tái)的設(shè)計(jì)、性能完善以及安全評估等提供依據(jù)。 （2）新型平臺(tái)概念參數(shù)敏感性分析 不同的參數(shù)對平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性具有不同的影響。本文著重分析了重心高度、導(dǎo)管架以及改善平臺(tái)垂蕩性能的兩種方法對平臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。首先，在頻域內(nèi)分析了重心高度對平臺(tái)六自由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響；隨后，基于工程和設(shè)計(jì)的考慮，在時(shí)域和頻域內(nèi)分析了導(dǎo)管架的存在對平臺(tái)及其錨泊系統(tǒng)垂蕩、橫搖和縱搖垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)、響應(yīng)譜等產(chǎn)生的影響；最后，就增加吃水和增加平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)面積來提高平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的兩種方法對平臺(tái)垂蕩產(chǎn)生的影響進(jìn)行了對比分析。 （3）渦激運(yùn)動(dòng)（VIM）特性分析 本文根據(jù)方柱固定繞流和方柱渦激運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬，從機(jī)理上研究VIM現(xiàn)象，解釋VIM現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制。首先采用CFD方法建立數(shù)值模型，模擬Re在50000~765000下的方柱繞流，與現(xiàn)有圓柱繞流的結(jié)果進(jìn)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值以及運(yùn)動(dòng)軌跡等結(jié)果，為進(jìn)一步研究四柱式深吃水半潛平臺(tái)的VIM特性提供基礎(chǔ)，驗(yàn)證所用數(shù)值模型和方法的正確性。 運(yùn)用方柱繞流所用的數(shù)值方法，對0度、45度兩個(gè)角度下的四柱深吃水半潛平臺(tái)的VIM特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。主要雷諾數(shù)范圍集中在10000~100000內(nèi)。采用CFD的方法建立數(shù)值模型，分析固定四柱式平臺(tái)的受力特性和泄渦特性，同時(shí)對單自由度下平臺(tái)在錨泊系統(tǒng)剛度作用下的渦激運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，對四柱式平臺(tái)繞流的主要運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值、受力特性等進(jìn)行分析，為南海海流作用下平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：深吃水半潛平臺(tái) 導(dǎo)管架 非線性耦合分析 模型試驗(yàn) 渦激運(yùn)動(dòng) 干式采用樹
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(tái)的發(fā)展及應(yīng)用14-20
• 1.2.1 各類平臺(tái)簡介和特點(diǎn)14-17
• 1.2.2 新型深水半潛平臺(tái)的研究進(jìn)展17-19
• 1.2.3 系泊系統(tǒng)簡介19-20
• 1.3 渦激運(yùn)動(dòng)介紹20-26
• 1.3.1 多柱式平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的提出20-21
• 1.3.2 渦激運(yùn)動(dòng)的主要影響因素和描述 VIM 的主要參數(shù)21-24
• 1.3.3 多柱式平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的研究進(jìn)展24-26
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容26-27
• 1.5 主要?jiǎng)?chuàng)新性27-28
• 1.6 本章小結(jié)28-29
• 第二章 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)29-47
• 2.1 三維勢流理論29-30
• 2.1.1 坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)方程32-33
• 2.3.2 頻域水動(dòng)力參數(shù)33-35
• 2.4 時(shí)域耦合分析35-38
• 2.4.1 時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程35-37
• 2.4.2 風(fēng)、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(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)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(dòng)力學(xué)控制方程39-40
• 2.5.4 鈍體繞流40-42
• 2.6 渦激運(yùn)動(dòng)數(shù)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(shù)值模擬方法43-46
• 2.7 本章小結(jié)46-47
• 第三章 JCDDS 模型試驗(yàn)研究47-61
• 3.1 相似法則47-49
• 3.2 坐標(biāo)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(shí)驗(yàn)測量內(nèi)容和儀器54-56
• 3.5.1 實(shí)驗(yàn)測量內(nèi)容54
• 3.5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)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(fēng)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(jié)60-61
• 第四章 平臺(tái)水動(dòng)力及錨泊系統(tǒng)數(shù)值模擬61-81
• 4.1 坐標(biāo)系和數(shù)值模型61-62
• 4.2 頻域水動(dòng)力分析62-66
• 4.2.1 固有周期和阻尼系數(shù)62-63
• 4.2.2 六自由度運(yùn)動(dòng) RAOs63-64
• 4.2.3 六自由度模態(tài)附加質(zhì)量和勢流阻尼系數(shù)64-66
• 4.3 時(shí)域耦合分析66-80
• 4.3.1 模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)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(jié)80-81
• 第五章 參數(shù)敏感性分析81-91
• 5.1 重心高度的影響81-82
• 5.2 導(dǎo)管架的影響導(dǎo)管架對垂直平面運(yùn)動(dòng)的影響82-85
• 5.3 吃水和增加局部面積對垂蕩產(chǎn)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(jié)90-91
• 第六章 渦激運(yùn)動(dòng)（VIM）響應(yīng)特性分析91-114
• 6.1 方柱渦激運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬91-103
• 6.1.1 數(shù)值模型和網(wǎng)格劃分91-94
• 6.1.2 方柱固定繞流數(shù)值模擬94-98
• 6.1.3 方柱 VIM 數(shù)值模擬98-103
• 6.2 深吃水四柱式半潛平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)（VIM）響應(yīng)特性分析103-112
• 6.2.1 數(shù)值模型介紹103-104
• 6.2.2 網(wǎng)格測試和時(shí)間步長104-106
• 6.2.3 平臺(tái)固定繞流數(shù)值模擬106-111
• 6.2.4 平臺(tái) VIM 數(shù)值模擬111-112
• 6.3 本章小結(jié)112-114
• 第七章 總結(jié)和展望114-118
• 7.1 主要研究工作總結(jié)及結(jié)論114-117
• 7.2 展望117-118
• 參考文獻(xiàn)118-124
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文124-125
• 致謝125

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

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

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

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張帆;深海立柱式平臺(tái)概念設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能研究[D];上海交通大學(xué);2008年

本文編號：1013102