海流作用下多立柱式Spar平台绕流流场与涡激运动特性研究

摘要

油气资源在未来几十年中仍将占据能源结构的主体地位，而随着我国经济发展，能源需求也日益增大，开发南海深水区域的油气资源能够有效缓解我国能源紧张的压力。Spar平台作为典型的深水浮式平台，由于其具有稳性好，垂荡小，不受水深限制以及良好的经济性等优点，能够成为开发南海油气资源的理想选择。本文所研究的新型多立柱式 Spar平台概念应用而生，其硬舱为四根圆柱方形阵列布置加方形中心井的形式，比传统的单立柱式Spar平台更易施工建造。
　　Spar平台有着诸多优点的同时，也面临着一种特殊的困扰——涡激运动问题。Spar平台的主体为典型的钝体结构，当遭遇一定速度的海流作用时，主体上将会产生流动分离和旋涡脱落，进而引发较大幅度的垂直流向的运动。涡激运动会使得系泊缆和立管上产生较大的张力，对系泊系统和立管系统造成疲劳损伤，使得平台整体的疲劳寿命降低。由于多柱式Spar平台的各柱间会产生复杂的相互干扰，不同于常规的单立柱Spar平台或半潜式平台，因此对其开展相应的绕流和涡激运动研究具有重要意义。
　　本文通过数值计算方法，对平台整体的绕流特性进行了分析。研究发现：由于平台主体形式的特殊性，在15°和30°来流角下，平台不再关于流向对称，此时平台所受升力的均值不再为零；除了升力和阻力作用外，平台还受到一定的力矩作用；平台各柱涡结构会在尾流侧汇聚，脱涡形式为单涡街。
　　在研究平台整体绕流特性的同时，还发现各柱之间存在着复杂的相互干扰。平台的方柱部分尾涡发展受到下游侧圆柱的抑制，且30°来流角时一侧的流动分离规律不同于单方柱绕流。平台四圆柱部分中下游侧圆柱受到的升力波动幅值更大，上游侧圆柱在来流角较低时受到的阻力比单圆柱绕流时大，而在来流角较高时阻力小于单圆柱情况。
　　采用拖曳水池模型试验手段，研究了是不同来流角、不同流速下平台的涡激运动特性。通过对横荡运动、纵荡运动、水平面内运动轨迹、首摇运动、涡脱频率和水动力系数的分析，可得：在折合速度约为6~8范围内，平台横荡运动存在明显的“锁定”现象（0°来流角无侧板时“锁定”范围约为 Ur：7~10）。在0°来流角下较高流速时，减涡侧板对涡激运动有明显的抑制效果。平台的运动轨迹近似与平台硬舱截面的对角线平行（0°来流角除外），这不同于常规的单立柱Spar平台。此外，试验中还观察到较明显的首摇运动。在“锁定”区间范围内，平台的脱涡频率不再随着流速的增大而线性增大，而是近似保持水平。
　　通过数值模拟方法，从绕流流场角度，对平台的涡激运动现象开展了进一步的研究。相较于平台固定绕流情况，由于平台约束变为了弹性约束，会在涡激力作用下产生涡激运动，平台的尾涡结构会偏向于运动的反方向。在较高来流角下，平台各柱的流动分离特性也会发生改变，分离位置和尾涡结构形式与固定绕流时有较明显的区别。

目录

封面

声明

上海交通大学硕士学位答辩决议书

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 Spar平台涡激运动危害及机理

1.3 Spar平台涡激运动研究现状

1.4 本文研究内容与意义

1.5 本章小结

第二章 涡激运动理论基础

2.1 涡激运动基础概述

2.2流体力学基本原理

2.3 涡激运动的数值模拟理论基础

2.4 本章小结

第三章 单圆柱绕流数值研究

3.1 单圆柱绕流理论基础

3.2 单圆柱绕流数值模型

3.3 单圆柱绕流结果分析

3.4 本章小结

第四章 多立柱式Spar平台绕流数值研究

4.1 单方柱、四圆柱绕流研究概述

4.2 多立柱式Spar平台绕流数值模型

4.3 多立柱式Spar平台绕流分析

4.4 本章小结

第五章 多立柱式Spar平台涡激运动试验研究

5.1平台涡激运动试验介绍

5.2 涡激运动的运动响应分析

5.3 涡激运动的动力响应分析

5.4 本章小结

第六章 多立柱式Spar平台涡激运动数值模拟

6.1 平台涡激运动数值模型

6.2 涡激运动响应数值研究

6.3 涡激运动流场分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要研究内容及结论

7.2 主要创新点

7.3 进一步研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表或录用的论文

致谢