深吃水半潛式平臺繞流場及渦激運動特性研究.pdf

1、在深水油氣開發(fā)領(lǐng)域，半潛式平臺是最可靠和最經(jīng)濟的海洋工程裝備之一。相比于傳統(tǒng)半潛式平臺，深吃水的設(shè)計可以有效改善其在波浪中的垂蕩運動性能。然而，由于立柱浸沒深度的增加和迎流面積的增大，深吃水半潛式平臺在水流中會受到更大的沿流向的阻力作用和垂直于流向的脈動升力作用，容易發(fā)生渦激運動現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會嚴(yán)重影響平臺的安全生產(chǎn)以及錨鏈和立管系統(tǒng)的疲勞壽命，因此深吃水半潛式平臺的渦激運動問題受到廣泛重視。
　　本文主要采用模型試驗和數(shù)值模擬相

2、互結(jié)合的方法，對四立柱和深吃水半潛式平臺的繞流特性、深吃水半潛式平臺的渦激運動響應(yīng)特性及其關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律等問題進(jìn)行深入研究分析，并在此基礎(chǔ)上提出一種新型半潛式平臺的設(shè)計以減弱其渦激運動響應(yīng)。
　　基于閉環(huán)風(fēng)洞中的模型試驗，研究呈方形布置的四圓柱和四方柱分別在三種立柱間距比和四個來流角度條件下的繞流流場特性，并利用大渦模擬（LES)方法對四圓柱繞流問題開展三維數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)，由于受到上游立柱尾流場的影響，下游立柱受到的時均阻

3、力比上游立柱小，但是會受到更大的脈動升力作用。四圓柱和四方柱繞流的時均阻力系數(shù)隨流向角變化的趨勢相似，而脈動升力系數(shù)的變化規(guī)律差別較大。
　　應(yīng)用LES方法，對四浮箱半潛式平臺、兩浮箱半潛式平臺和無浮箱四立柱結(jié)構(gòu)的繞流流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，分析浮箱的影響。研究表明，相比于有浮箱平臺，無浮箱四立柱結(jié)構(gòu)中的各立柱受到的時均阻力較大。45。流向角時，兩浮箱半潛式平臺由于縱向浮箱的位置相對于來流方向為非對稱結(jié)構(gòu)，且兩個縱向浮箱沒有橫向

4、浮箱的干擾而直接處在迎流中，因此受到較大的升力作用。
　　通過靜水拖曳模型試驗，開展系泊深吃水半潛式平臺在不同流向角與不同立柱吃水比條件下(H/L)的渦激運動響應(yīng)特性研究。利用水平等效系泊模擬系統(tǒng)水平回復(fù)力，采用空氣軸承模擬錨鏈和立管的垂向預(yù)緊力，此裝置可以準(zhǔn)確模擬半潛式平臺的質(zhì)量比，且使平臺在水平面內(nèi)自由運動而垂向運動被限制。試驗結(jié)果表明，在折合速度5< Ur<8區(qū)間內(nèi)半潛式平臺發(fā)生鎖定現(xiàn)象；30。和45。流向角時的橫向運動響應(yīng)

5、最顯著，而0。流向角時的首搖運動幅值最大；除0。流向角外，平臺運動軌跡主要沿著對角線方向。半潛式平臺在1.12< H/L<1.90時的橫向運動最大幅值較為接近，而H/L減小至0.87時，最大幅值減小約30%。
　　在此基礎(chǔ)上，對兩浮箱半潛式平臺和無浮箱四立柱結(jié)構(gòu)的渦激運動響應(yīng)特性進(jìn)行試驗研究，分析浮箱的存在對渦激運動響應(yīng)的影響。與四浮箱半潛式平臺相比，兩浮箱半潛式平臺和無浮箱四立柱結(jié)構(gòu)在更小的折合速度時的橫向運動響應(yīng)也較為顯著，說

6、明浮箱的存在推遲了渦激運動的發(fā)生。無浮箱四立柱結(jié)構(gòu)的橫向運動和首搖運動最顯著；兩浮箱半潛式平臺會受到更大的升力作用，因而在大的折合速度下的橫向運動幅值比四浮箱半潛式平臺的大。四方形和四菱形立柱結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果表明，當(dāng)單個立柱的遭遇流向角相同時，二者橫向運動響應(yīng)基本一致，與四立柱結(jié)構(gòu)的來流角度關(guān)系不大；且單個立柱的遭遇流向角為45。時，兩種結(jié)構(gòu)的橫向運動響應(yīng)最為顯著。
　　應(yīng)用分離渦模擬（DES)方法，對深吃水半潛式平臺的渦激運動響應(yīng)

7、進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，利用試驗結(jié)果驗證三維DES方法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，考慮分別由尖角方形立柱、不同倒角率的倒圓角方形立柱和圓形立柱組成的半潛式平臺，開展渦激運動三維數(shù)值模擬，分析立柱倒角率(Rc/L)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，圓形立柱的半潛式平臺在0。流向角時的橫向運動幅值約為45。時的兩倍，而倒圓角方形立柱的半潛式平臺在45。流向角時的橫向運動響應(yīng)比0。時的顯著。45。流向角下，當(dāng)R c/L<0.1時，平臺橫向運動幅值隨立柱倒角率的增

8、加而急劇增大；當(dāng)0.1< Rc/L<0.2時，橫向運動最大幅值基本相同；當(dāng)R c/L>0.3時，橫向運動幅值隨著倒角率的增加而減小。0。流向角時，除尖角方形立柱外，其他半潛式平臺的橫向運動幅值基本隨著立柱倒角率的增加而增大。對尖角矩形浮箱和倒角率0.1的矩形浮箱的半潛式平臺的渦激運動數(shù)值模擬結(jié)果表明，浮箱截面形狀對尖角方形立柱半潛式平臺的橫向運動響應(yīng)基本沒有影響，而對于倒角率0.15的方形立柱和圓形立柱的半潛式平臺而言，尖角矩形浮箱可以

9、大幅度地減弱其渦激運動響應(yīng)。
　　對三種典型的半潛式平臺，即尖角方形立柱與尖角矩形浮箱組成的SQC-SQP平臺,倒角率0.15的方形立柱與倒角率0.1的矩形浮箱組成的SRC0.15-SRP0.1平臺，以及圓形立柱與倒角率0.1的矩形浮箱組成的CC-SRP0.1平臺，進(jìn)行不同吃水條件下的渦激運動三維數(shù)值模擬研究，分析立柱吃水比的影響規(guī)律。研究表明，吃水越大則半潛式平臺的橫向運動幅值越大。45。流向角時，SQC-SQP平臺在H/L<1

10、.30條件下的橫向運動很小，而當(dāng)H/L>1.40時，平臺的橫向運動響應(yīng)較為顯著。SRC0.15-SRP0.1平臺和CC-SRP0.1平臺在較淺的吃水條件下（H/L=0.51，即立柱浸沒深度與浮箱等高）也會發(fā)生較為顯著的渦激運動響應(yīng)。
　　基于上述研究，提出一種新型半潛式平臺，即由倒角率0.05的五邊形立柱與倒角率0.05的矩形浮箱組成，并利用DES方法對其渦激運動響應(yīng)開展三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明，與原型半潛式平臺相比，新型半潛式平臺