張力腿平臺復(fù)雜動力響應(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)達國家都將目光投向了海洋，海洋蘊藏著豐富的石油、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。我國在深水及超深水領(lǐng)域海洋平臺的研究與世界先進國家存在著巨大差距，我國政府意識到了深海油氣開發(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，促進我國海洋科技的進步具有重要的戰(zhàn)略意義。
　　 隨著科

2、技的不斷進步，人類在開發(fā)深海油氣資源中提出了各種新型海洋平臺，例如，浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)、浮式生產(chǎn)鉆井儲油裝置、張力腿平臺、半潛式平臺以及立柱式平臺。而張力腿平臺經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，在經(jīng)典張力腿平臺的基礎(chǔ)上目前已經(jīng)形成三大系列，即SeaStars系列、MOSES系列和ETLP系列。張力腿平臺作為一種半剛性半順應(yīng)式平臺，自身結(jié)構(gòu)特點決定了其運動性能，張力腿平臺巨大預(yù)張力使平臺平面外的運動（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)為柔性運動。
　　 深海石油平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境中的動力響應(yīng)及系泊系統(tǒng)的動力特性一直是海洋工程界關(guān)注的熱點和難點，渦激運動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，而張力腿平臺作為多立柱海洋平臺，其復(fù)雜動力響應(yīng)及渦激運動特性對于平臺自身的安全性以及張力腿、立管系統(tǒng)的疲勞強度都有著重要影響。本論文通過理論研究、數(shù)值模擬以及

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

5、式計算作用在平臺上的波浪力，最終得到固定坐標(biāo)系中波浪荷載的表達式，在上述矩陣的基礎(chǔ)上組成張力腿平臺六自由度非線性動力學(xué)響應(yīng)的微分方程。為了在時域內(nèi)得到張力腿平臺的動力響應(yīng)及系泊特性，自編程序求解耦合方程，對規(guī)則波中張力腿平臺的動力特性進行了研究。比較分析了四種工況下張力腿平臺的耦合動力響應(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運動特性影響。
　　 鑒于海洋環(huán)境的隨機性和復(fù)雜性

6、，規(guī)則波中張力腿平臺的動力響應(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)合疊加法生成隨機波，研究不同波高、譜峰周期、浪向角下的動力響應(yīng)，同時在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室中通過縮尺比為1∶40的模型進行了試驗驗證，對比了數(shù)值模擬和模型試驗的平均值、幅值及標(biāo)準(zhǔn)差等相關(guān)統(tǒng)計值，并對甲板中心處以及邊緣處的加速度進行了預(yù)

7、報。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）向平臺的動力特性以及系泊系統(tǒng)張力的統(tǒng)計值和能量譜。最后對強非線性波浪—畸形波中張力腿平臺的運動響應(yīng)及系泊特性進行了研究，并與隨機波的計算結(jié)果進行了對比。
　　 渦激運動是當(dāng)前海洋工程界研究的熱點和難點，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動預(yù)

8、報對于研究張力腿平臺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動進行了數(shù)值模擬并將計算結(jié)果與經(jīng)典實驗結(jié)果進行了對比，研究重點放在兩種典型立柱截面的渦激運動幅值隨無因次速度的變化規(guī)律、立柱流向平衡位置走勢、渦激運動中頻率鎖定現(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)水動力系數(shù)、渦強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動進行了模擬，采用最大值統(tǒng)計法及標(biāo)稱統(tǒng)計法對渦激運動振幅幅值進行統(tǒng)計，探討了影響渦激運動的相關(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動研究的基礎(chǔ)上，考慮浮箱和立柱之間的耦合效應(yīng)建立了三維計算網(wǎng)格，對張力腿平臺的三維繞流特性和渦激運動開展了研究。首先對無限長單根方形立柱的繞流進行了驗證，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)海洋工程國家重點實驗室中的實驗結(jié)果，得到平臺運動的固有周期以及無因次阻尼系數(shù)，用于求解運動微分方程的UDF程序中，對張力腿平臺的渦激運動進行了深入分析和探討。
　　 細長立管的渦激振動研究對于張力腿的渦激振動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。考慮平臺運動對

11、張力腿上端邊界條件的影響，采用可移動支座的邊界條件結(jié)合經(jīng)典非線性動力學(xué)理論自編程序?qū)埩ν鹊臏u激振動進行了研究。研究中采用振型疊加法求得張力腿各階振動的固有頻率，同時計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)重時歷曲線、動剪力和動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，將張力腿渦激振動的三維問題簡化成二維，將編制的求解渦激振動的UDF程序嵌入Fl

12、uent軟件中，采用動網(wǎng)格技術(shù)進行流場的更新和計算，運用DNV商業(yè)軟件計算了不同流速和波高下張力腿張力的時歷曲線，研究了定常張力和時變張力下張力腿的渦激振動，并將經(jīng)典理論和切片法計算結(jié)果進行了對比，對影響渦激振動的相關(guān)問題進行了討論和分析。
　　 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動力響應(yīng)的不同因素著手，外部荷載從規(guī)則波、隨機波、風(fēng)浪流聯(lián)合作用最后到畸形波，逐步深入，層層遞進，匯集了理論推導(dǎo)、

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