浅水浪流作用下沙漏型FPSO的动力响应研究

摘要

浮式生产储卸油系统（FPSO）是一种储存外输、油气开发、生产处理等多种功能于一体的海洋开采工程装备，是各种海洋环境下油气开采的关键装备。但是，传统细长船型浮体的性能缺陷包括：对波浪作用方向十分敏感、横向迎浪面积大、垂荡自然周期很难远离波能集中区域；纵向尺度大，甲板抨击上浪问题非常普遍，浮体遭受的中垂和中拱弯曲载荷比较大，浮体结构的疲劳强度薄弱；高频率的首摇运动会导致系泊装置中的核心关键设备损伤加速。此外，圆筒型FPSO的主要弱点包括：容易激发涡激运动、浮体垂荡运动较大、甲板面积较小等。针对圆筒型和传统船型FPSO的性能局限，一种新型沙漏式浮体外形和新概念沙漏型FPSO被提出，在海洋浪流环境中具备优异的结构动力性能和运动响应特性。在此基础上，针对浅水油气田的海洋环境，研究沙漏型FPSO浮体浅水条件下水动力响应特性特点，具有工程安全与经济意义，能为浅水油气的安全高效开发提供理论依据。 为了有针对性地分析沙漏型FPSO的浅水效应和触底问题，本文基于商用ANSYS AQWA和ANSYS FLUENT计算软件分别对沙漏型浮体在浅水波浪和海流条件下水动力响应进行数值模拟，具体工作内容主要包括如下两个方面： (1)本文基于波浪势流理论，考虑浅水海底边界条件的影响，分析沙漏型FPSO浮体模型在浅水波浪作用下运动响应特性。其中，首先基于物理模型的波浪水池实验结果对数值模型和算法进行验证；此外，重点讨论了不同水深吃水比的沙漏型和圆筒型浮体模型的附加质量和运动响应幅值算子(RAO)；在此基础上，对比分析浅水波浪环境下具有相同功能的沙漏型和圆筒型浮体的运动响应、上浪和触底现象。 (2)本文基于CFD数值模拟算法，研究沙漏型FPSO浮体在浅水海流作用下绕流场和水动力特性。其中，首先基于经典三维圆柱绕流实验结果对数值模型和算法进行验证；在此基础上，分析不同雷诺数下深水沙漏型浮体绕流场的流场特性，并且与相同功能圆筒型浮体模型作对比；最后，重点研究了典型雷诺数下不同水深吃水比的沙漏型浮体的浅水绕流场和吸底效应。 通过研究发现，新概念沙漏型浮体模型在浅水环境下具备良好的运动性能，可以有效地避免FPSO在浅水波浪环境下发生触底现象。此外，沙漏型侧面的倾斜设计有利于加强流体绕流的三维特性，从而有效地抑制涡激运动的产生。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.1.1 全球及我国海洋油气储量现状

1.1.2 中国近海油气分布现状

1.1.3 FPSO作业过程及发展历史介绍

1.1.4 圆筒型FPSO性能优缺点及沙漏型FPSO新概念的提出

1.2 浅水FPSO水动力问题的国内外研究进展

1.2.1 有关传统船型FPSO单体水动力问题的研究

1.2.2 有关已有新型FPSO水动力问题的研究

1.2.3 有关新概念沙漏型FPSO水动力问题的研究

1.2.4 有关浅水海洋环境条件问题的研究

1.3 本文的主要研究内容

2 沙漏型FPSO浅水波浪作用下运动响应特性分析

2.1 数值算法简介

2.1.1 波浪绕射和辐射理论

2.1.2 数值边界元方法

2.1.3 波浪作用下浮体的频域运动方程

2.1.4 时域水动力系数

2.1.5 浮体时域运动方程

2.2 数值建模和数值算法验证

2.2.1 沙漏型浮体水动力模型创建

2.2.2 沙漏型浮体数值计算精度验证

2.3 浅水条件下浮体模型的运动响应特性研究

2.3.1 浅水环境下关于水深的定量概念定义

2.3.2 不同H/D下沙漏型和圆筒型浮体模型的附加质量变化趋势

2.3.3 不同H/D下沙漏型浮体模型的运动RAO变化趋势

2.3.4 浅水条件下沙漏型和圆筒型浮体时域运动特性分析

2.4 本章小结

3 沙漏型浮体浅水绕流场的水动力特性研究

3.1 数值计算模型

3.1.1 控制方程离散化

3.1.2 压力和速度耦合算法

3.1.3 流场特征参数

3.1.4 Fluent软件介绍

3.1.5 计算流体力学控制方程

3.2 数值建模和数值算法验证

3.2.1 算例介绍

3.2.2 流场参数与CFD数值算法设定

3.2.3 网格收敛性分析

3.2.4 三维圆柱绕流周期性分析

3.2.5 三维圆柱绕流时均流场特性分析

3.2.6 实际工程尺度下三维圆柱绕流分析

3.3 不同雷诺数下沙漏型绕流场的流场分析

3.3.1 沙漏型浮体网格划分与计算设置

3.3.2 Re=100绕流场算例

3.3.4 Re=1000绕流场算例

3.3.5 Re=3900绕流场算例

3.3.6 Re=104绕流场算例

3.3.7 Re=105绕流场算例

3.3.8 Re=106绕流场算例

3.3.9 Re=2.5*106绕流场算例

3.3.10 Re=107绕流场算例

3.3.11 不同雷诺数下沙漏型浮体所受绕流阻力和升力

3.4 典型雷诺数下不同水深吃水比沙漏型绕流场分析

3.4.1 雷诺数Re=106绕流场算例

3.4.2 雷诺数Re=107绕流场算例

3.5 本章小结

4 总结与展望

4.1 全文总结

4.2 研究展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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