張力腿平臺(tái)復(fù)雜動(dòng)力響應(yīng)及渦激特性研究.pdf

1、隨著陸上油氣資源的日益枯竭，世界上發(fā)達(dá)國家都將目光投向了海洋，海洋蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣和礦產(chǎn)資源，海上油氣資源開發(fā)不斷從淺水、深水向超深水邁進(jìn)。我國在深水及超深水領(lǐng)域海洋平臺(tái)的研究與世界先進(jìn)國家存在著巨大差距，我國政府意識(shí)到了深海油氣開發(fā)的重要性和緊迫性，隨著“海洋石油981”在中國南海的開鉆成功，國內(nèi)也掀起了深海海洋技術(shù)研究的高潮，這對于我國打破國外海工深水技術(shù)壟斷，促進(jìn)我國海洋科技的進(jìn)步具有重要的戰(zhàn)略意義。
　　 隨著科

2、技的不斷進(jìn)步，人類在開發(fā)深海油氣資源中提出了各種新型海洋平臺(tái)，例如，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)、浮式生產(chǎn)鉆井儲(chǔ)油裝置、張力腿平臺(tái)、半潛式平臺(tái)以及立柱式平臺(tái)。而張力腿平臺(tái)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在經(jīng)典張力腿平臺(tái)的基礎(chǔ)上目前已經(jīng)形成三大系列，即SeaStars系列、MOSES系列和ETLP系列。張力腿平臺(tái)作為一種半剛性半順應(yīng)式平臺(tái)，自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其運(yùn)動(dòng)性能，張力腿平臺(tái)巨大預(yù)張力使平臺(tái)平面外的運(yùn)動(dòng)（橫搖、縱搖和垂蕩）較小，相當(dāng)于剛性;另一方面，波浪力

3、作用于平臺(tái)直立浮箱形主體結(jié)構(gòu)，其水平方向分力要大于垂直方向分力，平面內(nèi)為柔性運(yùn)動(dòng)。
　　 深海石油平臺(tái)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的動(dòng)力響應(yīng)及系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性一直是海洋工程界關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，渦激運(yùn)動(dòng)作為海洋工程界的前沿課題，國內(nèi)相關(guān)研究剛剛展開，主要關(guān)注對象是大直徑的Spar平臺(tái)，而張力腿平臺(tái)作為多立柱海洋平臺(tái)，其復(fù)雜動(dòng)力響應(yīng)及渦激運(yùn)動(dòng)特性對于平臺(tái)自身的安全性以及張力腿、立管系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度都有著重要影響。本論文通過理論研究、數(shù)值模擬以及

4、試驗(yàn)驗(yàn)證三者相結(jié)合的手段，逐步揭示外部海洋環(huán)境、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性、平臺(tái)自身特性對渦激運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在影響關(guān)系，旨在探索張力腿平臺(tái)復(fù)雜動(dòng)力響應(yīng)及渦激運(yùn)動(dòng)的形成、發(fā)展、演變、穩(wěn)定的規(guī)律。
　　 論文從張力腿平臺(tái)受力平衡原理出發(fā)，推導(dǎo)了張力腿平臺(tái)的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣以及阻尼矩陣，剛度矩陣中計(jì)及張力腿和立管的影響，運(yùn)用坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換求得水質(zhì)點(diǎn)速度以及加速度在波浪坐標(biāo)系的表達(dá)式，采用微元法對立柱和浮箱進(jìn)行離散，利用修正的莫尼森公

5、式計(jì)算作用在平臺(tái)上的波浪力，最終得到固定坐標(biāo)系中波浪荷載的表達(dá)式，在上述矩陣的基礎(chǔ)上組成張力腿平臺(tái)六自由度非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的微分方程。為了在時(shí)域內(nèi)得到張力腿平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)及系泊特性，自編程序求解耦合方程，對規(guī)則波中張力腿平臺(tái)的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。比較分析了四種工況下張力腿平臺(tái)的耦合動(dòng)力響應(yīng)、張力腿及立管張力變化，揭示了波浪周期、波高、浪向角、預(yù)張力、工作水深等諸多因素對張力腿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性影響。
　　 鑒于海洋環(huán)境的隨機(jī)性和復(fù)雜性

6、，規(guī)則波中張力腿平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)和系泊特性帶有很大的簡化，只是對相關(guān)程序的驗(yàn)證和研究的初步開始。在規(guī)則波的研究基礎(chǔ)上將外部海洋環(huán)境拓展到隨機(jī)波、風(fēng)浪流聯(lián)合作用以及畸形波中。采用Jonswap譜結(jié)合疊加法生成隨機(jī)波，研究不同波高、譜峰周期、浪向角下的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中通過縮尺比為1∶40的模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對比了數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的平均值、幅值及標(biāo)準(zhǔn)差等相關(guān)統(tǒng)計(jì)值，并對甲板中心處以及邊緣處的加速度進(jìn)行了預(yù)

7、報(bào)。采用NPD風(fēng)譜和階梯流模型，研究了只考慮浪、考慮浪和流、同時(shí)考慮風(fēng)浪流聯(lián)合作用三種情況下，不同海況及浪（流）向平臺(tái)的動(dòng)力特性以及系泊系統(tǒng)張力的統(tǒng)計(jì)值和能量譜。最后對強(qiáng)非線性波浪—畸形波中張力腿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊特性進(jìn)行了研究，并與隨機(jī)波的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。
　　 渦激運(yùn)動(dòng)是當(dāng)前海洋工程界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是大尺度深海結(jié)構(gòu)物亟待解決的重要流體力學(xué)問題，其背后涉及復(fù)雜的流固耦合問題，因此開展大尺度低質(zhì)量比多柱體的渦激運(yùn)動(dòng)預(yù)

8、報(bào)對于研究張力腿平臺(tái)在一定來流速度下渦的泄放模式、受力情況等重要渦激特性有著十分重要的意義。論文采用計(jì)算流體力學(xué)方法對無限長方柱和圓柱截面在限制流向和不限制流向下的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并將計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，研究重點(diǎn)放在兩種典型立柱截面的渦激運(yùn)動(dòng)幅值隨無因次速度的變化規(guī)律、立柱流向平衡位置走勢、渦激運(yùn)動(dòng)中頻率鎖定現(xiàn)象以及尾渦泄放模式等。研究了無限長多方柱的繞流特性，得到相關(guān)水動(dòng)力系數(shù)、渦強(qiáng)分布以及尾渦泄放結(jié)構(gòu)。對低質(zhì)量比

9、多方柱在0°、22.5°、45°流向及不同流速下的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，采用最大值統(tǒng)計(jì)法及標(biāo)稱統(tǒng)計(jì)法對渦激運(yùn)動(dòng)振幅幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，探討了影響渦激運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)
　　 在對無限長單立柱及多方柱的繞流特性及渦激運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，考慮浮箱和立柱之間的耦合效應(yīng)建立了三維計(jì)算網(wǎng)格，對張力腿平臺(tái)的三維繞流特性和渦激運(yùn)動(dòng)開展了研究。首先對無限長單根方形立柱的繞流進(jìn)行了驗(yàn)證，與二維方柱的平均阻力系數(shù)以及斯特哈爾數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了對比，然后考慮不同來流方

10、向下，上、下游立柱之間的相關(guān)干擾，計(jì)算并分析了上、下流立柱的升力系數(shù)、拖曳力系數(shù)、渦量場分布以及尾渦結(jié)構(gòu)。根據(jù)在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的固有周期以及無因次阻尼系數(shù)，用于求解運(yùn)動(dòng)微分方程的UDF程序中，對張力腿平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了深入分析和探討。
　　 細(xì)長立管的渦激振動(dòng)研究對于張力腿的渦激振動(dòng)有著一定借鑒和指導(dǎo)作用，但張力腿與立管在截面尺度、預(yù)張力大小以及邊界條件存在巨大差距?？紤]平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對

11、張力腿上端邊界條件的影響，采用可移動(dòng)支座的邊界條件結(jié)合經(jīng)典非線性動(dòng)力學(xué)理論自編程序?qū)埩ν鹊臏u激振動(dòng)進(jìn)行了研究。研究中采用振型疊加法求得張力腿各階振動(dòng)的固有頻率，同時(shí)計(jì)及不同外部荷載的影響，研究了均勻流、階梯流以及波流聯(lián)合作用下張力腿各階模態(tài)下的權(quán)重時(shí)歷曲線、動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩在張力腿長度方向的變化規(guī)律，分析了模態(tài)跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象。采用二維切片理論結(jié)合CFD數(shù)值模擬方法，將張力腿渦激振動(dòng)的三維問題簡化成二維，將編制的求解渦激振動(dòng)的UDF程序嵌入Fl

12、uent軟件中，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行流場的更新和計(jì)算，運(yùn)用DNV商業(yè)軟件計(jì)算了不同流速和波高下張力腿張力的時(shí)歷曲線，研究了定常張力和時(shí)變張力下張力腿的渦激振動(dòng)，并將經(jīng)典理論和切片法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，對影響渦激振動(dòng)的相關(guān)問題進(jìn)行了討論和分析。
　　 綜上所述，論文研究從浪向、波高、譜峰周期、水深、預(yù)張力等影響張力腿平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的不同因素著手，外部荷載從規(guī)則波、隨機(jī)波、風(fēng)浪流聯(lián)合作用最后到畸形波，逐步深入，層層遞進(jìn)，匯集了理論推導(dǎo)、

13、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)研究等三種研究方法，對張力腿平臺(tái)水動(dòng)力性能及系泊系統(tǒng)的張力特性進(jìn)行了研究。在張力腿平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)研究中，從渦激運(yùn)動(dòng)的發(fā)生機(jī)理出發(fā)，從單個(gè)立柱的渦激運(yùn)動(dòng)著手，逐步拓展到無限長多柱體，最后結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在國內(nèi)首次開展張力腿平臺(tái)的繞流特性和渦激運(yùn)動(dòng)研究，充分考慮流速、流向、限制及不限制流向等因素的影響，深入研究了水動(dòng)力系數(shù)、頻率鎖定以及尾渦泄放模式等渦激特性。在平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)及渦激運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用非線性動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合切片理論