深海平臺系泊系統(tǒng)模型截斷及試驗研究.pdf

1、隨著海洋油氣開發(fā)向著深水的推進，出現(xiàn)了立柱式平臺(Spar)等具有自身特點的浮式海洋平臺型式。為了對新型平臺的水動力性能和深水系泊系統(tǒng)的動載荷進行驗證，波浪水池模型試驗仍然是深水海洋平臺設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一。 深水海洋平臺的系泊系統(tǒng)具有大的空間尺寸，采用常規(guī)縮尺比和Froude相似準則在現(xiàn)有試驗水池難于完整的模擬。雖然極小縮尺比模型試驗是解決方法之一，但其試驗精度受制于多種因素。因此研究人員提出了混合模型試驗方法，即對深水系泊系

2、統(tǒng)進行截斷，采用等效的水深截斷系泊系統(tǒng)在截斷水深進行模型試驗，并采用時域耦合計算軟件對試驗結(jié)果進行數(shù)值重構(gòu)和外推，用于平臺系統(tǒng)的運動和載荷預(yù)報。本文以大型深海平臺的深水模型試驗研究為背景，對基于靜力和動力相似的水深截斷系泊系統(tǒng)設(shè)計、截斷水深模型試驗、數(shù)值重構(gòu)和外推進行了研究。 闡述了水深截斷系泊纜設(shè)計原理，提出了水平截斷因子的概念，指出了不對稱布置水深截斷系泊系統(tǒng)設(shè)計的難點，概括了水深截斷系泊系統(tǒng)總體設(shè)計需要考慮的因素。根據(jù)水深

3、截斷系泊系統(tǒng)等效設(shè)計準則給出了基于靜力相似的優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)。為提高計算速度，開發(fā)了高效的系泊系統(tǒng)靜力計算模塊，結(jié)合NSGA-Ⅱ算法，實現(xiàn)了大范圍尋優(yōu)和多目標優(yōu)化，提高了水深截斷系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的效率和精度。 自主編寫了頻域的系泊纜動力計算程序，研究了系泊纜參數(shù)對水深截斷系泊纜動力和阻尼的影響規(guī)律，提出了基于動力相似的水深截斷系泊纜優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)。結(jié)合靜力計算程序、頻域動力計算程序和多目標優(yōu)化算法，實現(xiàn)了基于動力相似的水深截斷

4、系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。 自主開發(fā)了基于池岸的系泊纜動力試驗平臺，借助系泊纜的時域動力計算程序，建立了頻域、時域和模型試驗相結(jié)合的系泊纜動力特性研究方法，形成了“基于頻域方法的動力相似優(yōu)化設(shè)計→時域計算校核→單根系泊纜模型試驗驗證”的基于動力相似的水深截斷系泊纜設(shè)計流程。對2個工作在1500m水深的Cell-TrussSpar平臺在現(xiàn)有工作深水為4m的水池進行了模型試驗，雖然采用了1:100的模型縮尺比，但是垂向截斷因子仍然高達4.3

5、3。由于系泊纜的布置具有沿y軸的不對稱性，因此很難同時保證水深截斷系泊系統(tǒng)在180°和0°方向上的水平回復(fù)力同時與全水深系泊系統(tǒng)保持一致。在Cell-TrussSpar-Ⅰ平臺的模型試驗中，采用了特殊的跨距延長裝置來消除水平截斷的影響。在Cell-TrussSpar-II-B平臺的模型試驗中，考慮到試驗的復(fù)雜程度和數(shù)值重構(gòu)的難度，在2個方向上分別設(shè)計了不同的水深截斷系泊系統(tǒng)，而沒有采用復(fù)雜的跨距延長裝置。為了考察重物的使用及其對水深截斷

6、系泊纜動力及阻尼特性的影響，分別設(shè)計了均勻材質(zhì)和非均勻材質(zhì)的水深截斷系泊纜。 以均勻材質(zhì)的水深截斷系泊纜為例，研究了直徑和單位長度空氣中質(zhì)量、軸向剛度等對單根水深截斷系泊纜動力特性的影響。采用模型試驗和數(shù)值計算結(jié)合的方法研究了單根系泊纜的阻尼特性。結(jié)果表明，合理的控制系泊纜的軸向剛度，可以使得水深截斷系泊纜的動力響應(yīng)在目標水平位移范圍內(nèi)與全水深系泊纜獲得一致的趨勢。在保持靜力特性不變的情況下，增加直徑和單位長度空氣中質(zhì)量可以增大

7、水深截斷系泊纜的波頻動力響應(yīng)，但要注意可能誘導的高頻動力響應(yīng)。同時發(fā)現(xiàn)增加水深截斷系泊纜的直徑和單位長度空氣中質(zhì)量可以增加系泊纜阻尼，甚至可以實現(xiàn)波頻阻尼與全水深系泊纜一致。由于截斷因子較大，系泊纜的低頻阻尼增加十分有限，仍然小于全水深系泊纜。 采用5種水深截斷系泊纜方案進行了波浪水池的模型試驗，研究了不同水深截斷系泊纜的動力特性、低頻阻尼及其與平臺之間的耦合作用。通過對比試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平臺運動的波頻方差吻合較好，說明水深截斷系

8、泊纜并不會顯著改變大型浮式海洋平臺的波頻運動。180°和0°方向上不同的水深截斷系泊纜作用下平臺的縱蕩慢漂分別具有高度的相似性，說明在低頻運動激勵相同，并且系泊系統(tǒng)的低頻阻尼相當?shù)那闆r下，水平回復(fù)力特性是決定平臺慢漂運動的重要因素之一。結(jié)果表明，增加直徑和單位長度空氣中質(zhì)量而保持單位長度水中重量不變，可以在不改變系泊系統(tǒng)靜力特性的基礎(chǔ)上，增大水深截斷系泊纜的波頻動力響應(yīng)和低頻阻尼。添加重物的水深截斷系泊纜雖然具有形式上的“張緊”特點，但

9、其波頻動力響應(yīng)并無明顯改善，而且會誘發(fā)高頻動力響應(yīng)。 采用時域耦合計算軟件DeepC進行了數(shù)值重構(gòu)和數(shù)值外推，發(fā)現(xiàn)數(shù)值重構(gòu)結(jié)果與截斷水深模型試驗結(jié)果吻合較好，證明了數(shù)值軟件和模型的可靠性，并獲得了平臺關(guān)鍵的水動力參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，仍然采用DeepC建立了全水深系統(tǒng)的數(shù)值模型，并進行了時域耦合計算。通過對比截斷水深模型試驗結(jié)果與全水深的數(shù)值計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0°浪向上“代表性”的水深截斷系泊纜的動力特性與對應(yīng)的全水深系泊纜吻合較好，但

10、是180°浪向上“代表性”的水深截斷系泊纜的動力特性與對應(yīng)的全水深系泊纜仍然具有一定差異。由于存在較大的截斷，使得水深截斷系泊系統(tǒng)的低頻阻尼明顯小于全水深系泊系統(tǒng)，并且“代表性”的單根系泊纜頂端張力時歷的平均值明顯小于全水深系泊纜。 為了進一步研究垂向截斷對水深截斷系泊系統(tǒng)設(shè)計及截斷水深模型試驗的影響，以Cell-TrussSpar-II-B平臺為研究對象，以海洋深水試驗池為背景，分別設(shè)計了1000m和750m的水深截斷系泊系統(tǒng)

11、，采用數(shù)值計算的方法進行了研究。結(jié)果表明，隨著垂向截斷因子的增加，平臺的慢漂運動和“代表性”水深截斷系泊纜頂端張力時歷平均值與對應(yīng)的全水深結(jié)果的偏差逐漸增大。當垂向截斷因子較小時，通過“平衡”可以設(shè)計出在所有方向上的靜力和動力特性均與全水深系泊系統(tǒng)吻合較好的水深截斷系泊系統(tǒng)。 為解決大型深海平臺及其系泊系統(tǒng)在現(xiàn)有試驗水池的模型試驗問題，提出了水平截斷因子的概念，詳細闡述了水深截斷系泊纜設(shè)計的難點，編寫了系泊系統(tǒng)的靜力計算程序和系