考虑辐射阻尼的Spar平台涡激运动分析方法研究

摘要

随着海洋石油开发逐渐从近海向深水发展，一些用于深水开发的海洋采油平台成为研究的热点，Spar平台是20世纪末才被实际应用到海洋石油开发中的，是较为年轻的一种平台，具有良好的稳定性，便利性，经济性，因此具有广阔的应用前景。而Spar平台在一定来流作用下会发生由于尾流涡旋脱落引起的涡激运动，对立管以及锚泊系统的疲劳寿命有着严重影响，因此，对Spar平台的涡激运动特性进行研究有着重要意义。
　　目前对Spar平台的涡激运动研究以缩尺模型实验居多，但缩尺模型实验中往往选择弗汝德相似准则进行缩尺，从而根据缩尺模型的实验结果外推原型Spar平台的涡激运动特性，这是有所欠缺的，因为引起平台涡激运动的尾流涡旋泄放与雷诺数、约化速度Ur密切相关。在模型实验中如果不能保证比例模型和原型在雷诺数上一致，那么比例模型和原型的振动特性在相似关系上会出现一定程度的不符。尤其对于Spar平台的缩尺模型实验，如果采用弗汝德相似准则进行缩尺实验，由于采用的缩尺比很小，雷诺数在模型和原型之间将发生数量级上的跨越，这对于实验结果的可靠性有着较大影响。因此，本文在第三章着重对缩尺比例模型实验中所采用的相似准则进行了探讨，主要对全相似模型、雷诺相似模型和弗汝德相似模型这三种缩尺模型进行了比较研究，通过数值模拟方法和实验方法最终认为，在涡激振动（涡激运动）的缩尺实验研究中，应首先考虑雷诺相似准则进行缩尺，而通过弗汝德相似准则进行缩尺的模型其振动特性不能与原型满足相应的比例关系。
　　基于Spar平台涡激运动实验研究存在的缺陷，本文在第四章通过MATLAB软件编程对Spar平台的涡激运动进行研究分析。在大多数CFD软件中对涡激振动（涡激运动）的计算并不考虑结构自身速度和加速度对流体反作用力，本文在编程中对该影响进行了考虑，而且目前对于阻尼的计算，往往将结构阻尼和流体阻尼合并为一个阻尼参量，本文将结构阻尼和流体阻尼分开进行计算，建立了考虑辐射阻尼时Spar平台涡激运动的动力模型，比较分析了辐射阻尼对涡激运动的影响，同时对Spar平台横荡，纵荡，横摇和纵摇四个自由度的运动进行耦合求解。为了验证该数值模型的正确性，本文在第五章通过模型实验进行比较分析，此时数值模型采用实际模型实验中的各类参数进行计算，将计算结果同实验结果进行比较，结果表明，此数值模型能较好的符合实际实验情况。
　　本文在第六章对Spar平台的涡激运动进行了数值模拟研究，基于ANSYS-CFX对Spar平台实际尺寸及来流条件下的涡激运动进行了比较分析。通过不同流速下的数值模拟研究发现，尽管Spar平台在水深方向截面尺寸发生变化，但涡旋脱落却有着较强的一致性，并不因截面变化而变化，三维效应明显。另外在第六章本文还运用之前所编译的涡激运动程序进行了数值计算，并将结果同数值模拟的结果进行比较，研究发现，由于编程考虑了辐射阻尼，编程计算所得的纵荡幅值响应较数值模拟结果小得多，而纵荡均值同数值模拟结果能很好吻合，编程计算所得的横荡响应在数值模拟的非锁定区流速下同数值模拟结果能较好的吻合。由于横荡运动是Spar平台涡激运动中最重要的主导运动，可见本文所编译的Spar平台涡激运动的分析程序是有一定适用性的。
　　在第七章本文通过CFD方法对螺旋侧板的抑涡作用进行了机理性研究，建立了带侧板和无侧板的流场数值模型。通过对两种模型的涡旋泄放和升阻力系数的比较分析发现，螺旋侧板的存在能明显降低升力系数幅值，但会增加拖曳力系数均值，螺旋侧板的存在还会对尾流涡泄周期产生影响。通过对带侧板模型不同分段的升阻力系数比较发现，流场模型自上而下有着一致的涡旋脱落周期，而且各分段上的升力系数幅值均大幅减小，并不是叠加后才产生总体升力系数幅值的减小，这和之前很多学者关于螺旋侧板能降低结构整体的升力系数的研究结果并不冲突。
　　本文通过数值编程计算、模型实验和数值模拟这三种方法对Spar平台的涡激运动进行了研究分析，得出了一些较为可靠的结论，对于实际工程应用非常有益。但是由于Spar平台的涡激运动研究在国内外都是比较新的课题，本文还是存在很多方面需要深入研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 海上油气开发现状

1．1．2 海洋油气开发装备

1．1．3 Spar平台的结构形式

1．1．4 Spar平台涡激运动的研究意义

1．2 涡激运动的形成条件及响应特征

1．2．1 形成条件

1．2．2 响应特征

1．3 国内外研究现状

1．3．1 涡激振动的研究进展

1．3．2 涡激运动的研究进展

1．4 Spar平台涡激运动的研究方法

1．4．1 模型实验研究

1．4．2 经验模型研究

1．4．3 计算流体力学CFD研究

1．4．4 原型监测

1．5 本文的主要工作和创新点

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容与方法

1．5．3 论文的创新点

2 圆柱体涡激振动的基本理论

2．1 概述

2．2 流体力学基础

2．2．1 流体的基本动力方程

2．2．2 涡旋泄放机理

2．3 CFD方法

2．3．1 控制方程的离散

2．3．2 湍流模型

2．3．3 湍流模型的近壁面处理

2．4 涡激振动的相关参数

2．4．1 雷诺数和约化速度

2．4．2 斯托哈尔数与涡泄频率

2．4．3 质量比、阻尼比和无量纲振幅

2．4．4 涡激振动的拖曳力和升力

2．5 本章小结

3 涡激振动相似性研究

3．1 概述

3．2 涡激振动的相似关系

3．2．1 相似关系基础知识

3．2．2 涡激振动中缩尺模型相似关系的推导

3．3 数值模拟研究

3．3．1 数值模拟方法

3．3．2 绕流数值计算

3．3．3 涡激振动数值计算

3．4 物理模型试验

3．4．1 实验安排

3．4．2 实验结果

3．4．3 小结

3．5 本章小结

4 考虑辐射阻尼的Spar平台涡激运动数值计算

4．1 概述

4．2 涡激振动(运动)计算模型

4．2．1 尾流振子模型

4．2．2 涡激力模型修正

4．3 辐射阻尼理论

4．4 切片理论

4．5 数值计算方法

4．5．1 数模建立

4．5．2 Nemark-β法参数选定

4．6 流固耦合时两向涡激运动的数值分析

4．6．1 考虑辐射阻尼时顺流向涡激运动响应

4．6．2 考虑辐射阻尼时横流向涡激运动响应

4．6．3 辐射阻尼对顺流向涡激运动响应的影响

4．6．4 辐射阻尼对横流向涡激运动的影响

4．6．5 模型数值验证

4．6．6 流固耦合时纵摇和横摇的涡激运动响应

4．7 本章小结

5 Spar平台涡激运动的实验研究

5．1 概述

5．2 实验介绍

5．3 实验过程

5．3．1 实验准备

5．3．2 实验阶段

5．4 实验结果分析

5．5 结果对比

5．6 本章小结

6 基于CFX的Spar平台涡激运动数值模拟

6．1 概述

6．2 可行性研究

6．3 数值模型

6．4 Spar平台涡激运动的关键特性研究

6．4．1 涡激运动中的涡旋脱落

6．4．2 涡激运动中的升力和拖曳力的分析

6．4．3 涡激运动中的动力响应

6．5 动力参数修正后Spar平台涡激运动的数值编程计算

6．5．1 编程计算的涡激运动动力响应

6．5 本章小结

7 螺旋侧板抑制Spar平台涡激运动的机理研究

7．1 概述

7．2 比较方法

7．3 数值模型

7．4 高雷诺下模型的绕流数值模拟结果

7．4．1 绕流计算中的涡旋脱落

7．4．2 绕流数值模拟中的升力和拖曳力分析

7．5 本章小结

8 全文总结及展望

8．1 全文总结

8．2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文与研究成果