月池对钻井船水动力性能影响研究

摘要

海洋油气资源丰富，深水钻井船是开采深海油气的关键设备。钻井船上有月池结构，月池结构是用来下放钻杆、立管等设备的重要通道，在钻井船上有重要的作用，分析月池对钻井船的影响具有重要的意义。在本论文中，将运用模型试验与数值计算相结合的方法研究月池对钻井船水动力性能的影响，并探究月池内部流体的运动状态。 模型试验在哈尔滨工程大学深水池和拖曳水池进行，主要试验内容为静水自由衰减试验、RAO（幅值响应算子）试验、不规则波试验以及阻力试验。通过模型试验测量钻井船模型在不同的环境条件下，不同浪向角下以及不同装载状态下的运动响应，并测量在不同航速下钻井船模型的静水阻力，通过三因次法换算到实船阻力。 基于CFD基本理论，运用STAR CCM+研究钻井船的阻力性能，把数值计算的结果与试验结果相对比，误差在合理范围之内。探讨了数值计算过程中计算域的选取以及网格的划分。着重研究了月池对钻井船阻力性能的影响，包括月池的开合、月池内部的阶梯，月池内部的坡角以及月池在钻井船的前后位置。研究发现，月池对与钻井船的阻力增幅在10％-20％。月池内部阶梯和坡角的存在可以减小钻井船的阻力，月池在钻井船上的位置也对钻井船的阻力有影响，合适的位置会使钻井船的阻力变小。 基于三维势流理论，运用AQWA对钻井船在不同浪向角和不同装载状态下进行频域和时域分析，得到钻井船的RAO（幅值响应算子）曲线以及在不同的波浪条件下的六自由度时历曲线。对比月池的开合对钻井船运动响应的影响发现，月池的存在会使钻井船的的横摇运动和垂荡运动幅值增加，对钻井船的纵摇运动无明显的影响。 基于CFD理论探究月池内部流体的流动状态，运用软件STAR CCM+构建二维数值计算模型，在月池内部布置监测点，测量在不同的波长与船长比值的情况下，月池内部监测点的波高变化，并对比矩形月池无阶梯结构和有阶梯结构在相同的波长下，月池内部流体的流动状况，得出月池内部的阶梯可以有效地减小月池内部流体的振荡。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2钻井船月池结构及国内外研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章数值计算基本理论

2．1 CFD求解理论

2．1．1基本控制方程

2．1．2湍流模拟方法

2．2三维势流理论

2．3本章小结

第3章钻井船模型试验研究

3．1试验原理

3．2试验模型

3．2．1钻井船模型

3．2．2试验模型系泊系统

3．3海洋环境条件模拟

3．4模型试验内容

3．4．1静水自由衰减试验

3．4．2 RA0(幅值响应算子)运动响应试验

3．4．3不规则波运动响应试验

3．4．4静水阻力试验

3．5模型试验结果

3．6本章小结

第4章钻井船阻力性能分析

4．1船体阻力成分

4．2船体阻力估算

4．2．1光滑平板摩擦阻力系数公式

4．2．2钻井船摩擦阻力计算

4．3船体阻力CFD计算

4．3．1模型建立及模型验证

4．3．2计算结果与试验结果对比分析

4．4月池对钻井船阻力性能的影响

4．4．1月池的开合对钻井船阻力的影响

4．4．2月池内部阶梯对钻井船阻力的影响

4．4．3月池内部坡角对钻井船阻力的影响

4．4．4月池的前后位置对钻井船阻力的影响

4．5本章小结

第5章钻井船模型总体水动力性能分析

5．1钻井船频域水动力性能分析

5．1．1水动力分析模型

5．1．2 RAO(幅值响应算子)分析

5．2钻井船时域水动力性能分析

5．2．1波浪载荷短期预报

5．2．2时域水动力性能分析

5．3本章小结

第6章钻井船月池内流体运动探究

6．1月池内部流体运动形式

6．2月池数值模拟

6．2．1矩形月池数值模拟

6．2．2带阶梯的矩形月池数值模拟

6．3阶梯对月池内部流体运动的影响

6．4本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢