半潜式平台运动的理论预报

本文对半潜式平台运动的理论预报方法进行了研究。在国内外现有方法[1,4]的基础上,从势流理论出发,应用切片理论和相当线性粘性阻尼的假定,计及自由表面、水深、粘性和沉体单元体间的干扰影响,导出了半潜式平台运动方程式及水动力和波浪扰动力计算式。对运动方程采用了考虑运动对粘性影响的迭代解法。本方法已编制成电算程序,计算结果与试验值比较,两者吻合程度令人满意。     

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。     

不同结构形式张力腿平台水动力参数比较分析

随着张力腿平台(TLP)在深海油气开发领域的广泛应用,在早期传统式(C-TLP)的基础上衍生出了多种结构形式,其中还有延展式(E-TLP)、最小化深海水面式(MOSES)和海之星式(SeaStar)已具备业界建造运营经验。为了体现TLP各类结构形式的性能特点,服务于工程开发方案中平台构型选择,本文基于三维势流理论频域方法,针对现已建造的4种TLP的水动力性能及相关参数进行了对比研究。首先,在质量惯性、结构刚度相似的条件下,完成了各类型平台的主尺度方案;其次,采用SESAM软件分析计算了各方案设计平台的附加质量、势流阻尼和运动响应幅值算子(RAO);最后的结果对比表明,不同结构形式对张力腿平台的固有周期影响很大,分散立柱形式的C-TLP与E-TLP的垂向运动响应更小。     

新型全潜式浮式风机在不同风况下的动力响应分析

针对一种新型全潜式浮式风机,应用FAST软件建立风电机组-塔筒-浮式平台-系泊系统的时域耦合分析模型,研究其在不同风况下的动力响应。计算结果表明:风速对于该浮式风机的动力响应影响明显,浮式平台的纵荡、纵摇以及风机叶片根部弯矩与风机在不同风速下受到的推力相关,由于新型全潜式浮式风机垂荡方向刚度很大,风速变化对于其垂荡运动影响相对较小;各风况下,系泊缆始终处于张紧状态,新型全潜式浮式风机运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

均匀流作用下三立柱轻型半潜式生产平台涡激运动特性数值研究

三立柱轻型半潜式生产平台是一种新型多功能高效平台,可广泛用于中等水深及深水边际油气田开发。但在一定的来流条件下,立柱后方会产生漩涡脱落,导致平台发生涡激运动现象,从而影响平台的海上作业。基于分离涡模拟(detached eddy simulation,简称DES)方法,对具有三立柱和深吃水特点的非传统型半潜式生产平台的涡激运动响应特性开展数值模拟研究,从运动响应幅值和频率、运动轨迹及水动力系数等多个角度分析其在不同流向角和不同折合速度下涡激运动响应的关键特征和锁定范围。研究表明,三立柱轻型半潜式生产平台的横向运动响应由其受到的脉动升力主导,在折合速度7.0≤Ur≤10.0区间内发生锁定现象,且在180°流向角时幅值达到最大,约为立柱直径的59%;首摇运动在0°流向角时达到最大响应幅值4.9°,且锁定区内的响应频率接近其首摇运动固有频率;其运动轨迹主要表现为沿着横向的直线往复运动。     

半潜式平台垂向运动低频响应特性

对半潜式平台垂向运动性能(包括垂荡、横摇和纵摇)进行数值计算分析。与模型试验结果的比较表明,对于半潜式平台这类由柱体组成的结构物进行水动力数值预报,忽略粘性力作用会使得低频运动响应计算结果产生偏差,需要应用三维势流理论和Morison公式相结合的方法。横摇和纵摇运动固有频率均低于波浪频率,在波浪慢漂力作用下会出现显著低频运动响应。垂荡运动是否出现低频响应则与所处海况联系紧密。     

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。     

U型半潜式起重铺管平台水动力分析

采用理论分析和模型试验相结合的方法,对一U型半潜式起重铺管平台进行了运动性能与气隙分析,为该平台的主尺度确定和作业能力评估提供了参考依据。同时,对半潜式起重铺管平台水动力分析的方法和流程进行了归纳与总结。     

三锚系大型浮标运动响应特性数值研究

以三锚系浮标系统为研究对象,基于AQWA与OrcaFlex软件开展了三锚系大型浮标系统运动响应特性数值模拟研究。对直径10 m的浮标结构在波浪荷载下的水动力特性进行研究,校核了浮标的初稳性和大倾角稳性特征,计算分析了浮标的附加质量、辐射阻尼、运动响应幅值算子RAO等水动力参数,阐明了不同风、浪、流工况下三锚系浮标与辅助浮筒的运动响应特性,揭示了浮标三锚链导缆孔处锚泊张力随入射角度、波高和周期等的变化规律。研究结果表明：该浮标稳性和随波性能较好。与无浮筒三锚系浮标相比,带辅助浮筒的三锚系浮标系统的运动响应和锚泊张力减小,随着波高和周期增大,三锚系浮标系泊锚链的极端张力值逐渐增大,尤其是在极端海况下,迎浪向锚链极端张力急剧增大。     

近距离靠泊条件下钻井支持平台与生产平台相对运动研究

为了探究钻井支持平台及生产平台组成的复杂多浮体耦合系统在近距离靠泊状态下的相对运动情况,基于多浮体三维势流理论及时域耦合分析方法,计算了半潜式钻井支持平台和张力腿(TLP)生产平台耦合系统在三种不同环境方向,即迎浪、斜浪、横浪下两平台的相对运动和平台间连接栈桥的运动响应,为平台运动分析和栈桥设计提供指导。并将计算结果与水池模型试验结果进行对比,验证了数值方法的可靠性。为进一步了解多浮体间耦合水动力的影响,计算了该近距离靠泊系统在不考虑浮体间水动力相互干扰下的运动响应。研究表明除在横浪作用外,其他环境条件下的多浮体水动力干扰作用明显,对浮体运动响应的影响不可忽略,且有效波高在小范围内变化时,平台间的相对运动幅值基本与其呈线性关系。     

浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析

采用计算流体动力学(CFD)方法对OC4-DeepCwind半潜式风机基础在30～100 m水深下的水动力特性和非线性波浪荷载进行了研究。基于验证的数值波浪水池,通过结构自由衰减运动及规则波下浮式基础的幅值响应算子(RAO)计算,分析了浮式风机基础的结构动力特性及水动力特性随水深的变化规律,研究了浅水条件下非线性波浪荷载特征。研究结果表明,随着水深的减小,风机基础结构垂荡固有周期略有增大,垂荡和纵摇的阻尼比均呈现逐渐增大的趋势;与黏性流理论计算结果相比,势流结果在浅水波浪工况下对垂荡和纵摇RAO存在显著低估;在浅水波浪作用下,风机基础所受波浪荷载的三倍波频成分占比可超过5%,体现了浅水条件下波浪与结构之间较强的非线性作用。     

半潜式起重平台系泊系统设计与优化研究

近年来,国内兴起了大力发展半潜式起重平台的势头,系泊系统的设计与优化是该类型平台开发中的关键问题之一。采用时域方法对半潜式起重平台系泊系统进行耦合动力分析,研究系泊系统主要参数对其动力响应特性的影响,并给出主要参数的设计优化流程,在此基础上,以能够满足安全校核且性能较优的系泊方案为目标,对该半潜式起重平台的系泊系统进行优化设计,并研究单根系泊缆发生破断对整个系泊系统的影响。结果表明:基于主要参数对系泊性能的影响规律,经优化设计得到的系泊方案,预留的安全欲度适中,能够保障半潜式起重平台在恶劣海况下的生存能力,同时具备较好的经济性。     

系泊定位状态下半潜式浮体波浪爬升性能试验研究

随着深海油气田的快速发展,新兴的浮式生产系统,尤其是半潜式平台,由于具有性能优良、运动响应小、工作水深适用范围广、抗风浪荷载能力强等优点,在工程实际中得到快速的发展。在半潜式平台设计过程中,气隙和斜浪作用下的波浪爬升问题对其安全性能的影响至关重要。通过采用系泊定位状态下的四立柱半潜式平台进行波浪爬升实验,对平台不同位置进行全方位的监测,而后对测量数据进行分析,得出关于海浪对半潜式平台气隙响应的影响和相关规律,为半潜式平台的设计提供参考。     

深水半潜式钻井平台一阶运动对动力定位控制精度的影响

旨在研究装有动力定位系统的深水半潜式钻井平台中通常被设计过程忽略的海洋结构物一阶运动对动力定位控制精度的影响情况。首先分别计算得到半潜平台的一阶运动响应和动力定位平台的运动响应,叠加得到考虑一阶运动时的动力定位运动统计值。最后,通过对比考虑和不考虑一阶运动两种情况下平台的动力定位控制精度,验证一阶运动对动力定位控制精度的影响,为工程设计提供参考,建议平台设计和分析过程中应考虑由一阶运动造成的精度冗余。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.     

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。     

半潜式平台运动及系泊系统特性研究

针对深海半潜式平台及其系泊系统的水动力特性,运用时域耦合的分析方法,对一座水深为1 000 m的半潜式平台,及其悬链线式系泊系统的水动力性能进行探索,获得频域和时域响应结果。同时阐述了平台系泊系统的设计流程,并通过系泊系统参数的变化,研究其特性寻找影响系泊系统作用的一般规律,为平台及其系泊系统设计提供参考。     

风浪流中半潜式风机系统动力响应特性研究

以三浮筒(Tri-floater)型半潜式风机系统为对象,采用时域方法,考虑垂荡板的黏性阻尼效应,研究系泊缆直径、长度、预张力和布置方式等参数对其在风浪流中动力响应特性的影响规律,提出了一种系泊参数优化方法。在此基础上,根据东海和南海三个不同水深区域百年一遇海洋环境条件,通过调整Tri-floater型浮式基础的吃水和垂荡板等参数,有效地提高了其运动响应周期,减小了其运动响应幅值。同时,根据风机浮式基础运动幅值的设计规范要求,针对三个不同水深区域特点,设计了Tri-floater型浮式基础的系泊系统。计算结果表明,改进后的Tri-floater型半潜式风机系统能满足百年一遇极端环境下的作业要求,适合于东海和南海海洋环境下海上风能资源的开发。     

新型激光雷达浮标运动响应特性数值研究

以新型激光雷达浮标系统为研究对象,基于ANSYS/AQWA开展了激光雷达浮标系统运动响应特性数值研究,研究了浮标吃水深度、形状参数对于激光雷达浮标运动响应的影响规律,分析了附加质量、辐射阻尼、运动响应RAO及一阶、二阶波浪力等水动力参数。采用时域分析方法对不同风浪流荷载入射角度下的激光雷达浮标锚泊系统张力特性进行了计算分析。研究结果表明:随着浮标吃水深度的增加,浮标纵荡方向响应无明显变化,垂荡响应显著增大;随着浮标底部圆台直径的增大,浮标纵荡方向响应变化较小,而圆柱形浮标垂荡运动响应显著大于圆台形浮标;当浮标系泊锚链发生松弛—张紧状态变化时易出现极端张力,且极端张力出现的幅值和频率随有效波高的增大和谱峰周期的减小而增大。     

半潜式浮式风机支撑平台首摇运动特性分析

借助FAST软件对OC4半潜式浮式风机平台进行数值计算,分析了影响海上浮式风机平台首摇运动的一系列重要因素及其变化规律(如风向变化、浪向变化、陀螺力矩等)。研究了平台首摇运动所诱导的风机系统动力响应,发现浮式风机首摇运动不仅会加剧平台耦合运动响应,而且还会影响风机的气动性能和加剧锚泊张力波动。提出并探讨了几种减小海上浮式风机支撑平台首摇运动的方法。