深吃水多立柱平台稳性与水动力分析

在深水平台的设计与分析中,调整某一结构参数提高某一性能的同时,常常受到其他功能或性能上的约束,因此引起了平台各项功能及性能之间的相互竞争。以一种创新的深吃水多立柱平台(Deep Draft Multi-Spar)为目标,探讨平台结构特征参数如立柱直径、立柱高度、立柱间距和压载舱位置与平台稳定性能、水动力及运动性能、结构要求和功能要求之间的关系。水动力分析和响应计算结果显示,随着DDMS平台吃水深度的降低,垂荡、纵摇和纵荡RAOs均逐渐增大,运动性能降低,并与典型的Spar和半潜平台的RAOs进行了比较。     

Spar平台垂荡板水动力特性强迫振动试验研究

采用强迫振动试验的方法,对Spar平台不同振幅和不同振动频率下的附加质量系数和粘性阻尼系数进行了系统研究。分析研究了实心垂荡板和开孔垂荡板对Spar平台水动力特性的影响,并将Spar平台整体模型的试验结果与圆柱体和单独考虑垂荡板时的试验结果比较,结果表明垂荡板结构能有效提高Spar平台的附加质量系数和粘性阻尼系数,在KC=0.2～1.3时,开孔率为5%的开孔垂荡板Spar平台和实心垂荡板Spar平台相比,粘性阻尼有所提高但是附加质量减小。试验进一步研究了垂荡板间距对Spar平台水动力性能的影响,得到了水动力系数随垂荡板间距的变化情况,研究成果对实际工程中Spar平台的优化设计具有一定的指导意义。     

半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。     

三维复杂结构Spar平台垂荡板垂荡水动力性能研究

对三维复杂结构Spar平台垂荡板进行垂荡运动的数值模拟,并对垂荡板附近流场及水动力系数进行对比分析。结果表明:在主板尺寸相同情况下,主板边缘附近较小的角钢结构会对垂荡板流场产生明显影响,并导致水动力性能的较大差距;水动力系数计算结果与流场分析的结论一致。虽然复杂板架结构的三维建模及网格划分难度很大,但是在Spar平台垂荡板工程设计中不能完全采用简化光滑平板代替真实、复杂结构形式的垂荡板进行水动力性能的计算。     

新型多功能干树储油半潜平台研发

针对凝析油气田开发了一型适应我国南海环境条件的深水多功能干树半潜平台,平台运动性能优良,可实现干树开采、回接水下井口、油气生产处理、凝析油存储、钻修井等功能。平台由上部组块、主船体、细长柔性连接结构、垂荡板、顶张紧式立管(TTR立管)系统、系泊系统构成,结构特点为采用细长柔性连接结构连接主船体与箱型垂荡板。垂荡板采用箱型结构,承受作业吃水压力,可实现平台与箱型垂荡板的整体拖航,平台安装简易,细长柔性连接结构可在位维修或更换。平台立柱内设置储油舱存储天然气凝析油,解决凝析油存储外输问题。平台采用成熟系统系统集成,运动性能优良,海上施工风险可控,未来有望成为一种新的深水油气田开发平台型式。     

垂荡板对浮式风机水动—气动耦合性能影响研究

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势.由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出功率.因此,如何有效地抑制浮式风机系统的运动响应就成为了设计的关键.基于非稳态致动线模型和两相流求解器naoeFOAM-SJTU,进行了带垂荡板的浮式风机耦合性能研究.首先在OC3-Hywind Spar平台上附加垂荡板,并结合NREL-5 MW风力机建立带垂荡板的浮式风机模型.其次对比不同形状的垂荡板对Spar-5 MW型浮式风机气动—水动耦合结果,分析相同风浪联合作用条件下垂荡板形状对浮式风机耦合响应的影响.研究结果表明:垂荡板能够减小纵荡和垂荡等运动响应幅值,但是对纵摇运动响应影响较小;当垂荡板直径和吃水位置相同时,相同风浪条件下圆形垂荡板能使浮式风机的气动平均功率增大约0.844％,而正方形垂荡板却使平均功率减小1.492％,这说明圆形垂荡板对浮式风机系统的作用效果整体而言优于正方形.     

Truss Spar平台垂荡响应频域分析

利用已有水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,简化估计了Truss Spar平台垂荡方向水动力贡献,快速有效地预报了平台极端海况下的垂荡响应.在频域内分别采用数值迭代计算和粘滞阻尼线性化方法得到了平台在不同数量垂荡板配置下的垂荡响应幅值算子.在墨西哥湾、西非和中国南海等3种不同地区极端海况以及墨西哥湾工作状态海况下计算了平台的响应极值,分析发现平台波频垂荡响应对入射波浪周期非常敏感.采用JONSWAP波能谱得到了Truss Spar平台垂荡响应谱.通过比较和参数分析,验证了平台在设计上的合理性与实际海况下良好的垂荡运动性能.     

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响,从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响,建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先,基于三维势流理论,采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析,分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律;进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析,探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明：垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO,但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响;具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板,在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势,说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。     

立柱直径比对四立柱平台涡激运动性能影响的数值研究

与单立柱平台(Spar)类似,四立柱平台在洋流作用下也容易发生涡激运动,对锚泊和立管系统的疲劳寿命产生不利影响。一种非对称半潜式平台具有两种不同尺寸的立柱,立柱直径比对非对称平台涡激运动性能的影响尚需深入研究。采用计算流体力学(CFD)方法,对直径比分别为1.0、1.5和2.0的立柱组合在两种不同角度水流作用下的运动响应进行了二维数值模拟,分析发现:立柱直径比不为1时四立柱平台也具有明显的涡激运动,其横荡运动具有显著的锁定现象;在广义折合速度定义下,与相同直径的四立柱平台相比,立柱直径比不为1时其横荡运动锁定区间变宽且滞后,横荡响应幅值的峰值具有明显差异;在所研究的直径比范围内,大直径立柱在上游时涡激运动响应比其在下游时更显著,且这种差异随着直径比变大而变大。     

一种新型干树式半潜平台设计

开发了一种新型的深吃水干树式半潜生产平台(TCDD-Semi),该平台可用于中国南海深水区域的油气田开发。它的一个显著特点是立柱的截面形状呈现为渐变形式,而非传统的等截面形式。立柱的底部最大,向上逐渐变小,再结合适当的下浮体设计,能够为平台在服役前期及在位状态时提供足够的浮力以及稳性。最重要的是这种新型立柱的设计能够明显地减小平台在恶劣海况时的垂向运动,从而使在平台上布置具有干式采油树的TTR立管系统成为可能。此外,这种渐变式的立柱设计也有利于减弱平台在流作用下的涡激诱导运动(VIM)。分析结果表明这种渐变式立柱半潜平台可以明显降低平台的垂向运动,也可以在码头组装时提供足够的浮力以及在平台下沉过程中提供足够的稳性。平台优越的垂向运动性能可以使顶部张紧式立管的行程范围限制在10.5 m之内(包括平台偏移、垂荡运动、潮汐影响、海床沉降、热膨胀等因素)。分析结果表明平台的垂荡范围、水平偏移、倾侧角度、上部模块重心处的加速度等可以满足设计要求,证明了这种新型干树式半潜平台的可行性。     

新型干树半潜式海洋平台垂荡运动性能研究

在深海油气田开发中,干式采油树比湿式采油树具有更多优势。为减小半潜平台的垂荡运动,使其能够采用干式采油树,对一种深吃水且具有大面积下浮箱的新型半潜平台的运动性能进行了探究。基于势流理论,采用频域和时域相结合的分析方法,计算了平台在多种海况下的运动响应,为新型平台的运动分析和设计提供指导。同时,开展了水池模型试验,将计算结果与试验结果相比较,验证了数值模拟结果的准确性。为进一步探究新型平台的运动性能,研究了下浮箱放置深度对平台运动性能的影响,并进行相应的模型试验。研究表明:下浮箱的存在可大幅改善新型干树半潜平台的垂荡运动性能。综合考虑平台运动性能和工程实际应用条件,确定了最合适的下浮箱放置深度值。     

一种新型Semi-Spar式海上风机平台系泊系统优化分析

参考英国的Kincardine风机采用的新式的Semi-Spar概念,结合spar式基础和半潜式基础的特点,提出了一种新式海上浮式风机平台模型,并基于三维势流理论,利用AQWA软件进行水动力计算,验证新式平台可靠性。分析了在风、浪、流荷载联合作用下,锚链竖向夹角、系缆数量对风机浮式平台运动性能和系泊张力的影响,对系泊系统进行优化,并验证极端工况下的可靠性。结果证明风机平台水平运动和纵摇运动幅值较小,但垂荡幅值略大,而通过减小锚链竖向夹角可以控制平台运动响应幅值,增加系缆数量可以同时减小系泊张力大小。计算结果证明了新型Semi-Spar式海上风机平台可行性,为浮式风机平台及系泊系统的设计提供参考。     

Study on Gyroscopic Effect of Floating Offshore Wind Turbines

Compared with bottom-fixed wind turbines,the supporting platform of a floating offshore wind turbine has a larger range of motion,so the gyroscopic effects of the system will be more obvious.In this paper,the mathematical analytic expression of the gyroscopic moment of a floating offshore wind turbine is derived firstly.Then,FAST software is utilized to perform a numerical analysis on the model of a spar-type horizontal axis floating offshore wind turbine,OC3-Hywind,so as to verify the correctness of the theoretical analytical formula and take an investigation on the characteristics of gyroscopic effect.It is found that the gyroscopic moment of the horizontal axis floating offshore wind turbine is essentially caused by the vector change of the rotating rotor,which may be due to the pitch or yaw motion of the floating platform or the yawing motion of the nacelle.When the rotor is rotating,the pitch motion of the platform mainly excites the gyroscopic moment in the rotor’s yaw direction,and the yaw motion of the platform largely excites the rotor’s gyroscopic moment in pitch direction,accordingly.The results show that the gyroscopic moment of the FOWT is roughly linearly related to the rotor’s inertia,the rotor speed,and the angular velocity of the platform motion.     

分隔板对Spar平台涡激运动响应影响的分析研究

当流体流经单柱式结构物时,由于流体黏性和逆压梯度的存在,会产生非定常的升力、阻力和涡旋脱落,即涡激运动现象,对一座Truss Spar平台的硬舱部分附加长度为1.0D(D为硬舱直径)的刚性来流侧分隔板,基于开源平台OpenFOAM,采用基于剪切应力运输的延迟分离涡模拟(SST-DDES)方法,在不可压缩黏性流场中,对其进行三维数值模拟,以研究在不同流速下,来流侧分隔板对Spar平台涡激运动特性和运动响应的影响。结果表明：在较高流速下,横荡周期减小22.21%,横荡最大幅值减小81.3%。说明在较高流速下,附加分隔板有助于减少Spar平台的运动响应幅值。