Spar平台垂荡板水动力系数计算与分析

Spar平台带有厚度很薄的垂荡板,使用边界元方法计算时存在着准奇异积分的数值计算问题。采用自适应高斯积分法对其准奇异积分问题进行处理,较少单元即可达到很高精度。在势流理论下对Spar平台垂荡板的水动力系数进行了计算,并与实验结果进行了对比,发现真实流体中垂荡板的附加质量约为势流理论下附加质量计算结果的1.1倍,而辐射阻尼在总阻尼中所占的百分比很小,此时粘性阻尼成为垂荡板的主要阻尼来源,在工程设计中不可忽略。     

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。     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

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.     

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.     

基于非线性能量阱的半潜式平台垂荡响应抑制研究

半潜式平台由于吃水浅、水线面小导致垂荡响应较大,为采油树的选择以及钻井、采油等作业带来了许多制约因素,增加维护和作业成本。针对这一问题,本文提出了一种带有非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)的半潜式平台结构。根据NES减振原理,将活动式垂荡板作为NES系统的具体结构,通过建立带有NES系统的半潜式平台动力学模型,以减小平台垂荡响应为目标,优化设计了NES系统参数。考虑海况变化问题,对NES系统和调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)系统的垂荡响应抑制性能、系统能量传递进行了对比分析。结果表明：NES系统对半潜式平台的垂荡响应具有明显抑制效果,NES系统的共振俘获现象可以使平台与其发生靶能量传递(Targeted energy transfer, TET),同TMD系统相比,NES系统对不同海况波浪谱峰周期变化的鲁棒性更强。     

新型多柱桁架式Spar平台水动力性能研究

Spar平台以其较大的水深适应范围,较好的运动性能和稳定性,在深海油气资源开采中得到广泛的使用。随着技术的进步,各种新型的Spar平台形式不断涌现,其各方面的性能也得到大量的研究。结合前几代Spar平台形式的特点,提出了一种新型的多柱桁架式Spar平台概念,希望通过桁架的使用,保持Spar良好的运动和受力总体性能,同时采用多柱式的硬舱结构,降低建造难度和成本。并对该Spar平台的水动力特性,载荷以及运动响应进行了数值建模计算,分析结果表明,其运动响应较小,水动力性能良好。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

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。     

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。     

Research on the hydrodynamic characteristics of heave plate structure with different form edges of a spar platform

The hydrodynamic characteristics of heave plates with different form edges of Truss Spar Platform are studied in this paper.Numerical simulations are carried out for the plate forced oscillation by the dynamic mesh method and user defined functions of FLUENT.The added mass coefficient and the damping coefficient of heave plate with tapering condition and the chamfer condition are calculated.The results show that,in a certain range,the hydrodynamic performance of heave plate after being tapered is better.     

Nonlinear coupled dynamic response of offshore Spar platforms under regular sea waves

Many innovative floating offshore structures have been proposed for cost effectiveness of oil and gas exploration and production in water depths exceeding one thousand meters in recent years. One such type of platform is the offshore floating Spar platform. The Spar platform is modelled as a rigid body with six degrees-of-freedom, connected to the sea floor by multi-component catenary mooring lines, which are attached to the Spar platform at the fairleads. The response dependent stiffness matrix consists of two parts (a) the hydrostatics provide restoring force in heave, roll and pitch, (b) the mooring lines provide the restoring force which are represented here by nonlinear horizontal springs. A unidirectional regular wave model is used for computing the incident wave kinematics by Airy’s wave theory and force by Morison’s equation. The response analysis is performed in time domain to solve the dynamic behavior of the moored Spar platform as an integrated system using the iterative incremental Newmark’s Beta approach. Numerical studies are conducted for sea state conditions with and without coupling of degrees-of-freedom.     

深海立柱式平台概念设计研究

以上海交通大学海洋工程国家重点实验室提出的多柱桁架式立柱平台(Cell-Truss Spar)概念为例,对Spar平台的概念设计方法和过程进行了初步的研究,并对其水动力性能进行理论和数值计算,分析一些影响Spar平台运动性能的参数。设计涉及到两方面的问题:一是设计方法、流程以及结构物的形式;二是水动力性能。整个设计流程是一个不断循环的交互式的过程,需要考虑很多方面因素的影响。     

Added mass and damping of a sphere section in heave

The Norwegian wave-power buoy¹ consists of a half-immersed floating sphere which is open to the sea at the bottom end. It is a two degree-of-freedom device involving the independent motion of the outer rigid sphere and the pressure across the internal free surface. A simpler model of the device is to represent the oscillatory flow through the bottom opening as another rigid body motion being that of the curved surface which would complete the sphere.The wave-induced forces on this surface and also the outer spherical surface due to independent oscillations of either are determined semi-analytically using a simple extension of the method of Havelock,² recently simplified and generalised by Hulme,³ for the complete half-immersed sphere. In particular the 2 × 2 added mass and damping matrices are determined as a function of frequency and relative size of bottom opening to sphere radius. These quantities are essential in any theoretical analysis of a multi-degree of freedom wave-energy device.     

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。     

Spar平台湿拖阻力性能研究

海洋平台由拖船拖至工作地点,计算海洋平台的湿拖阻力在实际工程应用中具有重要意义。采用实验和数值模拟两种方法进行桁架式Spar平台的湿拖阻力性能研究,并将两种结果进行对比。并分析了桁架式Spar平台的垂荡板间流场的变化规律。研究结果表明,Spar平台的湿拖阻力中,摩擦阻力所占总阻力的比例小于10%;在平台拖曳运动的前几秒中,垂荡板间流体剧烈运动,速度和压力显著变化,随后就运动慢慢变缓;Spar平台在低速拖曳时会产生明显的波浪,尾部有回流。