考慮輻射阻尼的Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)分析方法研究.pdf

1、隨著海洋石油開(kāi)發(fā)逐漸從近海向深水發(fā)展，一些用于深水開(kāi)發(fā)的海洋采油平臺(tái)成為研究的熱點(diǎn)，Spar平臺(tái)是20世紀(jì)末才被實(shí)際應(yīng)用到海洋石油開(kāi)發(fā)中的，是較為年輕的一種平臺(tái)，具有良好的穩(wěn)定性，便利性，經(jīng)濟(jì)性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。而Spar平臺(tái)在一定來(lái)流作用下會(huì)發(fā)生由于尾流渦旋脫落引起的渦激運(yùn)動(dòng)，對(duì)立管以及錨泊系統(tǒng)的疲勞壽命有著嚴(yán)重影響，因此，對(duì)Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究有著重要意義。
　　目前對(duì)Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)研究以縮尺模型

2、實(shí)驗(yàn)居多，但縮尺模型實(shí)驗(yàn)中往往選擇弗汝德相似準(zhǔn)則進(jìn)行縮尺，從而根據(jù)縮尺模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推原型Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)特性，這是有所欠缺的，因?yàn)橐鹌脚_(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的尾流渦旋泄放與雷諾數(shù)、約化速度Ur密切相關(guān)。在模型實(shí)驗(yàn)中如果不能保證比例模型和原型在雷諾數(shù)上一致，那么比例模型和原型的振動(dòng)特性在相似關(guān)系上會(huì)出現(xiàn)一定程度的不符。尤其對(duì)于Spar平臺(tái)的縮尺模型實(shí)驗(yàn)，如果采用弗汝德相似準(zhǔn)則進(jìn)行縮尺實(shí)驗(yàn)，由于采用的縮尺比很小，雷諾數(shù)在模型和原型之間將發(fā)生

3、數(shù)量級(jí)上的跨越，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性有著較大影響。因此，本文在第三章著重對(duì)縮尺比例模型實(shí)驗(yàn)中所采用的相似準(zhǔn)則進(jìn)行了探討，主要對(duì)全相似模型、雷諾相似模型和弗汝德相似模型這三種縮尺模型進(jìn)行了比較研究，通過(guò)數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)方法最終認(rèn)為，在渦激振動(dòng)（渦激運(yùn)動(dòng)）的縮尺實(shí)驗(yàn)研究中，應(yīng)首先考慮雷諾相似準(zhǔn)則進(jìn)行縮尺，而通過(guò)弗汝德相似準(zhǔn)則進(jìn)行縮尺的模型其振動(dòng)特性不能與原型滿(mǎn)足相應(yīng)的比例關(guān)系。
　　基于Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究存在的缺陷，本文

4、在第四章通過(guò)MATLAB軟件編程對(duì)Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究分析。在大多數(shù)CFD軟件中對(duì)渦激振動(dòng)（渦激運(yùn)動(dòng)）的計(jì)算并不考慮結(jié)構(gòu)自身速度和加速度對(duì)流體反作用力，本文在編程中對(duì)該影響進(jìn)行了考慮，而且目前對(duì)于阻尼的計(jì)算，往往將結(jié)構(gòu)阻尼和流體阻尼合并為一個(gè)阻尼參量，本文將結(jié)構(gòu)阻尼和流體阻尼分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算，建立了考慮輻射阻尼時(shí)Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力模型，比較分析了輻射阻尼對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)的影響，同時(shí)對(duì)Spar平臺(tái)橫蕩，縱蕩，橫搖和縱搖四個(gè)自由度的

5、運(yùn)動(dòng)進(jìn)行耦合求解。為了驗(yàn)證該數(shù)值模型的正確性，本文在第五章通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較分析，此時(shí)數(shù)值模型采用實(shí)際模型實(shí)驗(yàn)中的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，此數(shù)值模型能較好的符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況。
　　本文在第六章對(duì)Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，基于ANSYS-CFX對(duì)Spar平臺(tái)實(shí)際尺寸及來(lái)流條件下的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了比較分析。通過(guò)不同流速下的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，盡管Spar平臺(tái)在水深方向截面尺寸發(fā)生變化，但

6、渦旋脫落卻有著較強(qiáng)的一致性，并不因截面變化而變化，三維效應(yīng)明顯。另外在第六章本文還運(yùn)用之前所編譯的渦激運(yùn)動(dòng)程序進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并將結(jié)果同數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)，由于編程考慮了輻射阻尼，編程計(jì)算所得的縱蕩幅值響應(yīng)較數(shù)值模擬結(jié)果小得多，而縱蕩均值同數(shù)值模擬結(jié)果能很好吻合，編程計(jì)算所得的橫蕩響應(yīng)在數(shù)值模擬的非鎖定區(qū)流速下同數(shù)值模擬結(jié)果能較好的吻合。由于橫蕩運(yùn)動(dòng)是Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)中最重要的主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)本文所編譯的Spar平臺(tái)渦激

7、運(yùn)動(dòng)的分析程序是有一定適用性的。
　　在第七章本文通過(guò)CFD方法對(duì)螺旋側(cè)板的抑渦作用進(jìn)行了機(jī)理性研究，建立了帶側(cè)板和無(wú)側(cè)板的流場(chǎng)數(shù)值模型。通過(guò)對(duì)兩種模型的渦旋泄放和升阻力系數(shù)的比較分析發(fā)現(xiàn)，螺旋側(cè)板的存在能明顯降低升力系數(shù)幅值，但會(huì)增加拖曳力系數(shù)均值，螺旋側(cè)板的存在還會(huì)對(duì)尾流渦泄周期產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)帶側(cè)板模型不同分段的升阻力系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，流場(chǎng)模型自上而下有著一致的渦旋脫落周期，而且各分段上的升力系數(shù)幅值均大幅減小，并不是疊加后才產(chǎn)