Truss Spar平台在波流联合作用下运动响应预报方法比较

基于细长体水动力模型比较了Truss Spar平台在波流联合作用下运动响应预报的三种方法。分别采用波流耦合、速度叠加及力叠加计算Truss Spar平台在波流联合作用下的水动力载荷,根据流场水质点运动规律和Truss Spar外部形状特点,分段高效计算水动力载荷。利用Runge-Kutta-Fehlberg方法求解刚体非线性运动方程得Truss Spar在波流场中的运动响应。研究结果表明力叠加法所预报的Truss Spar纵荡和纵摇运动明显大于其他两种方法的相应运动响应预报结果,而波流耦合法与速度叠加法所预报的纵荡与纵摇运动响应幅值相当,三种方法所预报的垂荡运动响应的大小取决于具体波流参数。     

传统Spar平台和型组合共振运动响应研究

研究传统Spar平台在长周期规则波浪下的和型组合共振现象.考虑垂荡与纵摇运动的相互影响以及瞬时波面对于纵摇运动的参数激励作用,建立平台两自由度耦合运动方程.采用多尺度法导出了当波浪频率接近垂荡与纵摇固有频率之和时方程的一阶摄动解.针对一座实际Spar平台,通过求解幅值分岔方程,得到平台在不同波高下的运动响应并进行了数值模拟.计算结果发现,当波浪幅值超过某一极限值时,平台出现较大幅值的垂荡与纵摇亚谐共振运动.研究结果揭示了Spar平台出现和型组合共振的条件和组合共振时的动力特性.     

两层流体中内波作用下Spar平台运动响应

研究两层流体中Spar平台在内波作用下的运动响应问题。在线性势流理论框架,提出在内波作用下Spar平台运动响应及分段式悬链线系泊张力特性的计算方法。数值分析两层流体内界面位置、入射内波的波长以及系泊索初始预张力对Spar平台运动响应及其系泊索张力特性的影响规律,结果表明内波对Spar平台纵摇运动响应的影响是小的,但对Spar平台纵荡与垂荡运动响应及其系泊索张力的影响是不可忽视的。因此,在Spar平台的设计中,考虑内波的影响是重要的。     

Spar平台垂荡-纵摇耦合运动失稳机理

研究参数激励和强迫激励共同作用下Spar平台垂荡-纵摇耦合运动的失稳机理.考虑静稳性和排水体积的变化,推导平台的垂荡回复力和纵摇回复力矩表达式,建立规则波浪中平台垂荡-纵摇耦合的运动方程.以经典Spar平台为例,分析平台垂荡-纵摇耦合运动发生马休类型不稳定运动的条件以及平台运动失稳的形式,给出波高和波浪周期平面上平台因大幅运动失稳的参数域.结果表明,当波高相对较小时,波浪的临界周期接近于垂荡固有周期,平台失稳的形式为马休失稳;当波高相对较大时,波浪的临界周期远离垂荡固有周期,平台由于大幅摇摆运动而失稳.     

偏航工况下海上浮式风力机基础运动响应及锚泊载荷影响分析

海上浮式风力机受风、浪、流等外部载荷影响,运营期间经常处于偏航工况,给风力机基础运动响应和锚泊载荷带来重要影响.基于经典叶素动量理论及势流理论,建立海上浮式风力机水—气动力耦合分析模型,对在非定常风、不规则波浪联合作用下,风力机偏航时基础运动响应及锚泊载荷等进行分析.研究发现,额定风速工况下,风力机偏航对平台纵荡和纵摇运动影响较大,偏航30°时纵荡和纵摇平均值比偏航0°时分别下降20.68％和37.36％,垂荡运动响应受风力机偏航影响较小;锚泊载荷变化趋势与平台运动及锚链布置有关,平台纵荡对锚泊载荷影响较大,偏航30°时锚链#1有效张力平均值比偏航0°时下降12.98％.     

深水Spar平台主体波浪载荷计算

用半解析方法研究孤立的截断的浮式Spar平台主体的一阶绕射问题,在入射波浪周期为4～40 s的范围内分别得到迎浪0(°)和45(°)角时的纵荡激励力、垂荡激励力和纵摇激励力矩图,得到的数值计算结果与MOSES和WAMIT应用软件计算结果一致.所得计算结果,可应用于Spar平台的运动计算.     

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.     

含月池和输运管的深海采矿船水动力特性研究

深海采矿船是未来人类获取深海矿产资源的重要装备,研究其水动力特性具有重要意义。月池和输运管是影响深海采矿船水动力特性的重要因素。以世界上第一艘超深水采矿船“鹦鹉螺新纪元”号为研究对象,基于三维势流理论,分析月池尺寸、输运管长度及内径对采矿船水运动特性的影响。结果表明：月池开口会使采矿船垂荡、纵荡和纵摇运动出现共振峰,峰值随着开口尺寸的增加而增大,其中垂荡运动峰值可增加将近2倍;输运管的存在会明显改变采矿船横摇运动固有周期,增大垂荡运动峰值,降低横摇运动峰值,对横荡和纵荡运动的影响亦较大,当输运管长度为 5 000 m,内径为0.480 5 m时,横荡和纵荡响应峰值能够达到无输运管时的3倍以上。通过探究月池开孔和输运管不同参数对采矿船运动的影响,为深海采矿船月池和输运管设计提供一定的借鉴和参考。     

风浪流中涡激共振对Spar型浮式风机运动响应的影响

以Spar型浮式风机为研究对象,研究涡激力对于浮式风机系统运动的影响。对多体动力学软件FAST进行二次开发,加入涡激力的计算接口,实现了在平台涡激、波激、空气动力载荷及系泊联合作用下的Spar浮式风机系统的运动响应的计算。计算了在风、浪、流联合作用下,频率锁定现象发生时,Spar基础的运动响应,分析了风浪下Spar风机运动响应的涡激运动特性,并研究了不同的入流角度的影响。结果表明:考虑涡激力后,Spar基础的横荡运动明显增大;风浪流同向时,风浪的存在会抑制流载荷引起的横荡在涡泄频率的运动;在流与风浪垂直时,会激发Spar基础的更大的纵荡运动响应。     

深吃水半潜式平台参数共振研究

深吃水半潜式平台(deep draft semi-submersible,DDS)作为一种新型海洋结构物,既继承了传统半潜式平台的优点,又改善了传统半潜式平台垂荡运动性能差的不足。但随着吃水的增加,DDS纵摇运动参数共振也成为一个不容忽视的问题。当DDS纵摇运动固有周期和垂荡运动周期满足一定关系时,纵摇运动将发生参数共振,纵摇角度将会显著增大。研究推导了DDS纵摇运动方程,并简化为标准的马修方程,运用希尔无穷行列式法求解马修方程,得到了含阻尼的马修稳定性图谱,并结合具体算例讨论了不同参数对DDS纵摇运动参数共振问题的影响。研究表明:深吃水半潜式平台的参数共振,是设计人员在设计之初必须考虑的问题;通过合理选取平台的系统参数,可以有效避免纵摇运动参数共振现象的发生。     

内孤立波下深水半潜式平台系统动力响应研究

我国南海海域海洋环境条件复杂且海水密度垂直层化现象显著,内孤立波活动频繁,因内孤立波而造成海洋开采平台破坏的案例屡见不鲜。依托水动力计算软件AQWA二次开发功能,采用Kdv方程,借助Fortran语言将深水半潜式平台立柱、浮箱、系泊系统3部分的内孤立波作用力叠加到外力项中,联合求解半潜式平台的6自由度动力响应特性。数值模拟结果表明,在内孤立波作用下,半潜式平台的运动及系泊线张力均受到了显著的影响。在不考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台在纵荡和横荡方向上产生较大的漂移运动,最大偏移量较无内孤立波情况下增加了8倍;系泊线最大张力提高了17%,增加了系泊线断裂的风险。在考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台的纵荡和横荡运动响应在原响应基础上继续提高15%,但是系泊线张力变化不大。内孤立波不同浪向下的平台纵荡和横荡响应相差也很明显;系泊系统合力在不同方向上的大小决定了平台不同方向上运动的大小。     

基于非线性数学模型的半潜式平台共振运动特性研究

共振运动是深海浮式平台设计的关键考虑因素之一,对海洋平台的作业具有重要影响。采用半潜式平台运动的非线性耦合数学模型,考虑浮筒和横撑出入水以及垂荡、横摇和纵摇运动耦合对平台浮力和恢复力的影响,研究半潜式平台非线性共振运动特性,以及不规则波浪参数对运动的影响。研究表明:在非线性耦合运动和浮力变化的影响下,半潜式平台纵摇和垂荡运动的固有周期会随运动幅值的增大而逐渐减小,且最终趋于稳定,对纵摇运动周期的影响更为显著;非线性效应会使半潜式平台产生显著的低频纵摇共振响应,以及共振频率漂移的现象,且受随机种子和波浪周期的影响较小。     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。     

多船旁靠系泊作业关键特性试验研究

旁靠带缆作业是实现海上补给、模块吊运、原油外输等运转的常用方式,针对浮式平台与两艘供应船以旁靠方式作业涉及的关键特征进行水池模型试验研究,阐述了旁靠带缆系统和护舷设备的属性和需遵循的规范衡准,深入分析旁靠系缆的张力、护舷的挤压力、船体之间的相对运动特征随有效波高和波浪入射角度等环境参数的变化规律,确定了适用于多船旁靠作业的海况条件。研究表明:波浪能量随有效波高的增大呈现非线性增大趋势,是影响旁靠作业窗口期的主要外部因素,而波浪入射角度对旁靠作业的影响程度与海况有较大关系;三船在纵荡、横荡以及艏摇方向具有明显的跟随性特点,运动响应的幅值和相位比较接近,浮式平台与供应船之间的相对运动较小,完全可满足作业要求。垂荡、横摇以及纵摇这三个波频方向,各船的运动并不同步,相对运动大,是影响多船旁靠作业窗口期的主要因素;有效波高为2.5 m的海况条件可满足多船旁靠要求。相关结论为实际的工程操作提供参考。     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。     

Air-floating towing behaviors of multi-bucket foundation platform

Air-floating towing beha viors of multi-bucket foundation plat form （MBFP） are investigated with the 1/20-scale model tests and hydrodynamic so ftware MOSES. MOSES numerical model was val idated by test results, and M OSES prototype model of MBFP can eliminate scale effect of model. The influences of towing factors of to wing speed, water depth, freeboard, and w ave direction on air-floating tow ing stability of MBFP were analyzed by model tests and validated MOSES prototype mod el. It is sho wn that the re duction of towing sp eed can effectively d ecrease the to wing force and surge acceleration to improve towing stability. Water depth is another f actor in towing s tability. Obvious shallow water effect will appear in shallow water with sma ll water depth-draft ratio and it w ill disappear gradually and air-floating towing becomes more stable with the increase of water depth. Accelerations of surge, s way and heave are small and they have modest changes when freeboard increases from 0.5 to 2 m. For MBFP, the freeboard is not suggested to be larger than 2 m in following wave. Wave direction has large influence on the towing stability, the surge acceleration and towing force are sensitive to the va riation of wave direction, the surge acceleration and towing force in following wave （0°） and counter wave （180°） are much larger than that in transverse sea （90°and 270°）.     

内孤立波中半潜平台动力响应特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式,研究了两层流体中内孤立波与带分段式悬链系泊约束半潜平台的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析了在该内孤立波作用下SEDCO-700型半潜平台的内孤立波载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对半潜平台产生突发性冲击载荷作用,使其产生大幅度水平漂移运动,并导致其系泊张力显著增大,因此在半潜平台等深海平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

系泊方柱在畸形波与波群伴生波浪作用下运动响应试验研究

畸形波与波群伴生波浪作用于系泊浮体,和常规随机波浪作用比较,运动响应时频域特征均将发生显著变化。基于物理模型试验,采用小波方法计算伴生波浪和常规随机波浪作用下系泊浮体运动响应的时频域特征变化及波群因子与浮体运动响应时频域特征的定量关系。结果表明:伴生波浪作用下浮体运动响应显著大于常规随机波浪的作用结果,且波群因子G A对浮体运动响应时频域特征有显著影响;伴生波浪作用下浮体纵荡运动的广义能量谱E(t)统计特征值E max(t)、E 1/10(t)、E 1/3(t)、E average(t)均明显大于相同波谱下常规随机波浪的结果,且随着波群因子G A增大显著增大;伴生波浪作用下各运动响应能量集中度δE显著大于常规随机波浪作用结果,且能量集中时域分布范围参数ΔT E以纵荡运动分量最为显著。