深水浮筒回收作业的数值模拟

摘要

为缓解深水勘探开发与作业成本之间的矛盾,挪威技术开发公司Atlantis Deepwater Technology Holding(ADTH)提出了一种全新的深水观念--人造海床技术Artificial Buoyant Seabed(ABS)。该技术应用浮筒浮力原理人工提高海床,实现了浅水设备在深水勘探和开发中的应用。2004年6月,ADTH与中海油田服务股份有限公司China Oilfield Services Limited(COSL)合作研发这一项目,并于2008年6月在中国南海进行了深水浮筒钻井预试验。试验发现浮筒在回收过程中上浮速度过快,并且在上浮过程中水平方向产生偏移,这使得浮筒和水面上设备的对接产生问题。
　　 本文主要针对以上两个问题,讨论浮简在上浮过程中的运动轨迹及运动速度的变化规律。首先利用Fortran语言编程,采用面元法求解浮筒的附加质量;之后,利用FLUENT中的动网格技术模拟浮筒在深水处自由上浮的运动,得到浮简的运动规律及其受力。用同样方法模拟不同工况时浮筒的运动,结合面元法求出的不同尺寸浮筒的附加质量,探究浮筒运动过程中水平方向的粘性力系数和雷诺数之间的关系;建立在近波面处受到波浪影响时浮筒的运动方程,采用四阶定步长龙阁-库塔法求解出浮筒在这一过程中时的运动轨迹以及速度变化规律;最后,在忽略水面波浪的前提下,建立浮筒在出水过程中的运动方程,利用求解导弹出水的俄罗斯半经验公式求解此过程中浮筒所受的流体动力,计算浮筒出水瞬间的速度,以及浮简在水平方向上的位移。
　　 通过本文的研究,求出了深水浮筒的运动规律,以及浮简从自由上浮到出水过程中水平方向的位移,对于控制浮筒的运动具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 人造海床的基本结构和工作原理

1.2.1 基本结构

1.2.2 基本原理

1.3 人造海床技术的应用

1.4 人造海床技术的研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 附加质量的求解

1.6 CFD技术概述

1.7 本文的工作

第2章 浮筒附加质量的计算

2.1 附加质量的基本公式

2.2 面元法的基本公式

2.3 坐标系的建立及几何形状的数学表达

2.4 数值解法

2.5 数值计算结果

2.6 本章小结

第3章 深水浮筒的运动规律

3.1 模型的建立与网格划分

3.1.1 模型的建立

3.1.2 网格的划分

3.2 数值模拟计算

3.2.1 动网格的概述

3.2.2 动网格更新方法

3.2.3 动网格的相关设置

3.2.4 模拟计算条件及工况的确定

3.3 计算结果及分析

3.3.1 标准工况的计算结果

3.3.2 计算结果比较

3.3.3 阻力系数与雷诺数的关系

3.4 本章小结

第4章 浮简在近波面处的运动

4.1 基本假设

4.2 坐标点

4.3 波浪特征分析

4.4 物体受力分析

4.4.1 阻力

4.4.2 惯性力

4.5 物体运动方程

4.6 运动方程的求解

4.7 不同波高时运动的比较

4.8 不同波浪周期时运动轨迹的比较

4.9 本章小结

第5章 浮简出水计算

5.1 运动方程的建立

5.2 附加质量的计算

5.3 流体动力的计算

5.4 浮力的计算

5.5 模型简化

5.6 数值解法及计算结果

5.7 本章小结

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