Spar平臺渦激運動關鍵特性研究.pdf

1、隨著離岸深水工程技術的不斷發(fā)展，Spar平臺在深海油氣開采中得到了越來越廣泛的應用。我國油氣開采進軍深海領域，亟待先進的海洋開發(fā)技術來支持，Spar平臺這種深水和超深水海域中極具競爭力的平臺類型，必將在不遠的將來成為我國深海開發(fā)的重要工具。
　　 相對于其排水量來說，Spar平臺水線面小，重心低，這使得Spar平臺擁有極好的穩(wěn)性，并且對波浪激勵具有較小的響應，這些優(yōu)良性能使得Spar平臺很快得到了業(yè)界的認可并進入繁榮發(fā)展的時代。

2、但是與其它類型的海洋平臺相比，其特殊的深吃水立柱式結構容易引起來流作用下結構后方的旋渦脫落，從而導致渦激運動。所有的Spar平臺，包括ClassicSpar，TrussSpar，CellSpar等，在一定的海洋環(huán)境條件下都可能發(fā)生渦激運動。在Spar上工作的人員如果長期受到渦激運動的影響，很容易疲勞和影響健康；長時間持續(xù)的渦激運動可能引起立管損壞、錨泊系統疲勞、甚至平臺停止作業(yè)，因此在立管及錨泊系統的強度和疲勞特性設計過程中，以及在平臺

3、安全性方面，都必須充分考慮到渦激運動的影響。
　　 Spar平臺渦激運動研究是目前海洋工程學科的前沿課題，是我國南海油氣開采戰(zhàn)略中的重要課題，也是國際上方興未艾的研究熱點。本論文在國家863計劃的支持下，以Spar平臺渦激運動的關鍵特性為主要研究內容，通過理論分析、CFD計算和模型試驗相結合的方法，從渦激運動發(fā)生機理、關鍵特性、抑制方法等多方面尋找突破口，探索適用于Spar平臺渦激運動預報和抑制的數值和試驗方法，對Spar平臺渦

4、激運動現象進行系統深入的研究，在鎖定現象、高Re數下渦脫落特征、系泊系統的非線性特征、多柱式主體減渦機制、波流聯合作用下的渦激運動研究等方面進行了新的探索。
　　 論文第一章介紹了Spar平臺的誕生和發(fā)展過程、目前在國際范圍內的應用及研究情況，并對三代主要Spar平臺的總體結構、水動力特征進行了系統的總結和闡述，進而介紹了Spar平臺渦激運動問題的概況，并分別從容易引起渦激運動的海洋環(huán)境條件、渦激運動的原始激勵及主導運動、影響因

5、素和特征參數等方面對渦激運動現象的基本情況進行了闡述，總結歸納了目前國際上渦激運動研究相關進展、渦激運動研究及預報的主要方法，以及渦激運動研究的熱點、難點、目前研究中所存在的不足、面臨的問題和目前研究發(fā)展的方向，最后介紹了本文研究工作的意義、主要研究內容和研究方法，并提出了論文的創(chuàng)新性。
　　 渦激運動現象涉及到流體力學中實際流體繞流物型時所產生的很多問題，如速度和壓強分布、邊界層分離現象、繞流阻力與升力等等。深入研究渦激運動現

6、象的機理及本質特征，必須建立在流體力學基礎理論之上。本文第二章就渦激運動問題所涉及的流體物理性質、流體力學理論和數值計算方法進行了討論，并總結分析了圓柱繞流問題的一些經典結論，為以后章節(jié)的數值計算和物理試驗研究奠定了理論基礎。同時，對國際上研究圓柱渦激振動的半經驗模型法進行了一些介紹，并對其優(yōu)缺點進行了分析。
　　 渦激運動之所以成為一種十分復雜的現象，首先歸因于引起渦激運動的物理機制背后隱藏著復雜的流體力學機理。因此在進行實際

7、Spar平臺的渦激運動研究之前，對低質量比浮式柱體在來流中的瀉渦情況、受力情況等重要特征進行相應的基礎性研究是十分必要的，這有助于進一步深層次理解和掌握渦激運動現象背后的機理和本質。本文第三章主要從機理方面對研究渦激運動的流體激勵、尾流流場、響應特征等進行了較為深入的探索，采用直接模擬流體力的CFD方法，結合模型試驗，去除了海洋環(huán)境、平臺具體結構、平臺深水錨泊系統等外部復雜因素的影響，對低質量比、低長徑比的較大尺度圓柱在均勻流中的繞流情

8、況及渦激運動響應特征進行了模擬和研究。圓柱特征參數的確定以典型TrussSpar主尺度為參考，可視為TrussSpar主體硬艙部分的1:100縮尺比模型。研究了固定圓柱繞流的邊界層分離情況、渦的形成和脫落情況、尾流區(qū)流場結構情況，對作用在圓柱上的包括升力和拖曳力在內的流體力進行了測量、計算和分析，從而對旋渦脫落所引起的流體激勵特征進行研究；研究了強迫運動幅值及頻率對圓柱受力的影響，研究流固耦合系統中結構物對流體的反作用機制，從根本性的渦

9、脫激勵入手，掌握引起渦激運動的流體動力特征；考慮渦激運動中的流固耦合效應，對流場和結構物相互作用的整個系統進行分析，研究了不同來流條件、不同系泊情況下圓柱的渦激運動情況，分析了鎖定現象的發(fā)生機理和規(guī)律；研究了螺旋式側板的減渦機理；特別地，在試驗過程中通過一組簡單有效的流場可視化系統，對不同情況下圓柱周圍的流場進行了觀測，通過更直觀、更有說服力的試驗觀測結果對數值模擬所得到的流場進行了驗證，進一步加深了對渦激運動現象的認識和理解。

10、　　 第四章在通過簡單浮式圓柱進行渦激運動機理性研究的基礎上，對Spar平臺的渦激運動進行了研究。與上一章研究的簡單圓柱不同，實際作業(yè)條件下的Spar平臺在洋流中的渦激運動受到很多因素的影響，其中包括海洋環(huán)境條件因素、平臺自身結構及附屬物因素、深水錨泊系統特征等相關因素。本章以一種新形式的Spar平臺作為研究對象，對該平臺在沒有安裝減渦裝置的情況下進行了渦激運動的預報，對其渦激運動響應特征進行了研究和分析。多柱桁架式Spar平臺（Ce

11、ll-TrussSpar）是一種新的Spar平臺概念，該平臺融合ClassicSpar、TrussSpar以及CellSpar平臺的設計特點，并且應用了優(yōu)化的垂蕩板設計，目標是使其在具有前面三代Spar平臺良好的運動性能的基礎上，進一步改善水動力性能、降低建造難度和成本。相對于ClassicSpar、TrussSpar、CellSpar等平臺形式，Cell-TrussSpar在結構形式上有其自身的特征，研究中充分考慮了這一特征，對其建立

12、適當的CFD計算模型，并制作了精細的物理模型，對平臺的主體結構、慣性特征進行了模擬。對于平臺的系泊系統，在數值模擬過程中，對系泊系統橫蕩、縱蕩兩個水平方向的剛度曲線進行了擬合，并將擬合得到的剛度表達式代入渦激運動微分方程求解程序，采用龍格.庫塔方法對渦激運動進行求解；在模型試驗過程中，采用水深截斷系泊系統，模擬了平臺系泊的實際分布及剛度特征。探索了颶風慣性流、環(huán)流等具有不同流速剖面特征的來流條件的計算及模擬方法。研究得到了該平臺渦激運動

13、的響應特征和關鍵性參數，為進一步的渦激運動抑制研究奠定了基礎。
　　 渦激運動的抑制是渦激運動研究中的重要方面。Spar平臺一般在硬艙部分安裝螺旋狀的減渦側板，用于抑制平臺在來流中的渦激運動。本文第三章中對螺旋式減渦側板的作用原理進行了研究。試驗和實測數據表明，這種螺旋式減渦側板對于抑制平臺的渦激運動效果比較明顯，是目前工程界普遍采用并認可、實用性最強的減渦方式。對于目前處于概念設計階段的新型的Cell-TrussSpar平臺來

14、說，減渦側板的設計工作也是抑制平臺渦激運動、優(yōu)化其水動力性能的重要方面。第五章在研究掌握了該Spar平臺渦激運動響應特性的基礎上，進一步探討了渦激運動的抑制方法，對該Spar平臺的螺旋式減渦側板進行了設計和優(yōu)化研究。由于Cell-TrussSpar平臺在平臺型式上與以前三代Spar平臺相比，有著鮮明的自身特征，特別是由于上部硬艙的特殊結構形式，使得平臺主體并不像ClassicSpar和TrussSpar那樣構成規(guī)則的圓柱體，又不完全同于

15、CellSpar平臺的主體，因此針對Cell-TrussSpar平臺的具體結構特征進行了具體的研究，提出適合于該平臺的減渦側板結構形式，通過數值計算，模擬了側板附近的流場變化情況，以及平臺在安裝側板后的受力情況和旋渦破碎情況，最后通過數值計算與模型試驗相互結合，對側板的減渦效率、安裝側板后平臺的渦激運動性能等進行了研究。
　　 在實際的海洋環(huán)境條件下，海洋平臺所承受的往往是風浪流的共同作用。Spar平臺的渦激運動是由流的作用引起

16、并決定的，但是在實際海況下，渦激運動往往是和風浪流作用所引起的其他水動力響應共同發(fā)生并相互影響的，因此討論平臺在實際海況中的渦激運動，特別是波浪的作用對渦激運動的影響，對進一步了解和掌握渦激運動的響應特征，從而在實踐中對Spar平臺在實際海況下的渦激運動進行研究和預報具有重要的意義，對平臺的設計安裝、現場作業(yè)等都具有指導性的意義。波浪在渦激運動中的影響尤為重要。在波浪和流的共同作用下，波浪運動中水質點的軌圓運動，導致平臺前后都有旋渦脫落

17、，使渦激運動更為復雜。第六章通過水動力模型試驗的方法對波流聯合作用條件下波浪對平臺渦激運動響應的影響、平臺在實際海洋環(huán)境下的渦激運動響應特征等方面進行了研究。分別從規(guī)則波和不規(guī)則波兩個方面對波流交互作用入手進行研究，在規(guī)則波方面，考慮三種不同波高、不同周期的規(guī)則波，討論了規(guī)則波參數對渦激運動響應的影響；在不規(guī)則波方面，分別以墨西哥灣和中國南海為預計作業(yè)地點，考慮了兩種典型的波流聯合作用極限海況，對平臺的渦激運動進行了研究和分析，并對相應