浅水波及软刚臂系泊FPSO浅水效应研究

摘要

国际能源消费持续增长，海洋油气开发方兴未艾。作为当今海洋油气开发应用最广的大型浮式海洋工程装备，浮式生产储卸油系统(FPSO)成为国际海洋工程领域重点关注的研究热点之一。 我国有13艘FPSO在渤海和南海服役，支撑着我国海洋石油近80％产能。近年来，随着多艘大型软刚臂系泊FPSO在水深仅20m左右的渤海油田相继投产，浅水FPSO水动力性能和安全性问题受到广泛重视。本文以浅水大型FPSO在近海油田中的工程设计与应用为研究背景，对浅水波的无网格数值模拟、软刚臂系泊系统的三维动力响应、浅水FPSO水动力性能浅水效应机理等问题进行深入研究分析。 建立了水波传播问题的基于配点和径向基函数的无网格数值模拟方法，将源点布置在模拟波浪场之外，沿边界布置配点而不是划分网格。二维均匀水深规则波的无网格数值模拟显示，该方法形式简单、计算速度快、稳定性好，结果与理论解吻合良好。在此基础上，建立数值海洋工程水池，对深水波经由斜坡过渡然后在均匀浅水深中传播的过程进行无网格数值模拟和波谱的迭代修正。经水池实验验证，波浪谱、波浪参数、波浪时历都符合良好，并具有浅水波特征。数值模拟的浅水不规则波时历符合要求，可用于浅水FPSO水动力时域数值预报。 建立了软刚臂系泊系统的三维动力响应理论模型和基本动力方程，充分模拟实际几何与物理特性、力学作用机制，研究并提出基于误差判断的变步长迭代搜索的数值逼近求解算法。数值算例表明，该算法数值迭代次数少、收敛快、误差小，而且各种静力响应与动力响应特性的数值计算结果与模型试验结果都符合良好，说明其效率、精度和可靠性都令人满意。对软刚臂系泊FPSO在浅水不规则波作用下水动力响应的浅水效应规律进行研究分析。随着浅水深减小，纵荡运动和系泊力的低频响应急剧增大；垂荡和纵摇运动的波频响应减小，但低频响应增大，使得总的响应先减小后增大，而且在水深很浅时，低频响应大大高于波频响应。 基于频域理论指出决定低频运动响应的水动力因素主要是低频波浪力和阻尼。揭示FPSO低频动力响应的浅水效应原理，在于浅水不规则波浪中低频成分及其诱导一阶低频波浪力的出现，使得总的低频波浪力大幅增加，并引起单点系泊FPSO产生大幅度的共振低频纵荡运动，系泊力也大幅度增加。对于浅水中的低频波浪力，除一般的二阶力外，还必须考虑一阶低频波浪力。而阻尼随水深减小而增大，其作用与低频动力响应浅水效应规律恰恰相反；浅水中二阶低频波浪力的增加十分有限，也不足以解释低频动力响应成数倍增长的浅水效应规律。 揭示垂荡、横摇和纵摇运动随水深减小而减小的浅水效应一般规律的原理，在于附加质量和阻尼系数随水深吃水比减小而增大，此时，浅水效应规律将主要取决于水深吃水比。而水深特别浅的时候，由于出现低频波浪成分，使得总的一阶波浪力和运动响应显著增加，垂荡、横摇和纵摇运动响应不再遵循一般变化规律，反而随着水深减小而增大，此时，浅水效应规律将主要取决于波浪。 为解决大型FPSO应用于渤海浅水大型油田开发的技术问题，在国际上首次提出浅水效应概念，我国因此走在浅水：FPSO水动力性能研究的世界前列。深入相关理论研究，揭示浅水效应机理，可丰富浅水水动力学的理论内涵，可为国内外浅海油气资源开发、FPSO及近岸浮式LNG终端的研制与应用提供理论支撑，具有重要的理论意义和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 FPSO水动力研究与进展

1.2.1深水FPSO与系泊和立管系统的耦合水动力预报

1.2.2甲板上浪

1.2.3 FPSO与穿梭油轮组成的多浮体系统水动力

1.2.4横摇运动与减摇措施

1.2.5单点系泊FPSO的水平面运动稳定性

1.3浅水FPSO水动力研究现状

1.4本文主要研究工作简介

1.4.1主要研究内容

1.4.2主要创新点

1.4.3研究目标和意义

第二章波浪传播的无网格数值模拟方法

2.1引言

2.2控制方程与定解条件

2.3无网格数值模拟方法

2.3.1基于配点和径向基函数的无网格方法

2.3.2数值造波方法

2.3.3数值消波方法

2.3.4数值差分与滤波

2.4波面与速度势的时间过程推算

2.5均匀水深波浪传播的无网格数值模拟结果与对比分析

2.5.1深水规则波模拟

2.5.2浅水规则波模拟

2.6本章小结

第三章海洋工程水池浅水造波的无网格数值模拟

3.1数值海洋工程水池模型

3.2水池浅水规则波的无网格数值模拟

3.2.1起始过渡期设置对浅水造波的影响

3.2.2水池浅水规则波模拟结果

3.3水池浅水不规则波的数值模拟与实验验证

3.3.1数值造波原理

3.3.2数值模拟算例与水池实验验证

3.3.3结果与分析

3.4本章小结

第四章软刚臂系泊系统的三维理论模型与静力响应特性

4.1软刚臂系泊系统介绍

4.2三维理论模型

4.3静力响应特性的基本方程

4.3.1几何关系方程

4.3.2力矩平衡关系方程

4.3.3其他受力平衡关系方程

4.4数值算法

4.5数值算例、结果分析与验证

4.5.1渤海软刚臂系泊QHD32-6 FPSO系统

4.5.2纵向静恢复力特性计算结果与比较分析

4.5.3横向静恢复力特性计算结果与比较分析

4.6本章小结

第五章软刚臂系泊系统的三维动力响应特性

5.1数学模型

5.1.1几何关系方程

5.1.2软刚臂的动态转动惯量

5.1.3动态力矩平衡关系方程

5.1.4其他动态受力平衡关系方程

5.2数值算法

5.3数值算例、结果分析及模型试验验证

5.4本章小结

第六章浅水波作用下的软刚臂系泊FPS0水动力性能

6.1时域数值预报的理论基础

6.2水池模型试验

6.2.1试验模型

6.2.2海洋环境条件

6.2.3试验工况与测试数据

6.3纵向水平刚度校验结果

6.4不同浅水深时的纵荡固有周期和静水阻尼结果与分析

6.5时域数值预报与模型试验结果的比较分析

6.6不同浅水深时的不规则波模型试验结果与分析

6.6.1纵荡运动响应和系泊力的浅水效应规律

6.6.2垂荡和纵摇运动响应的浅水效应规律

6.7本章小结

第七章FPSO低频动力响应的浅水效应原理

7.1低频频域计算的理论基础

7.1.1低频纵荡运动方程与响应

7.1.2低频纵向波浪力

7.1.3低频纵荡运动阻尼

7.2低频纵荡运动阻尼结果与分析

7.3二阶低频响应结果与分析

7.3.1二阶平均波浪力QTF

7.3.2二阶波浪慢漂力能量谱

7.3.3二阶低频纵荡运动响应

7.4浅水波浪谱分析

7.5低频响应的浅水效应原理分析

7.5.1一阶低频波浪力

7.5.2一阶和二阶低频纵荡运动响应

7.6不同浅水深时的低频响应变化规律

7.7本章小结

第八章FPSO垂直面运动的浅水效应原理

8.1线性频域理论及水深影响因素分析

8.2垂直面运动水动力特性的影响

8.2.1附加质量和阻尼系数

8.2.2一阶波浪力

8.3垂直面运动浅水效应的一般规律

8.4低频波对一阶波浪力的影响

8.5低频波对垂直面运动响应的影响

8.6本章小结

第九章总结与展望

9.1主要研究工作总结及结论

9.2主要创新之处

9.3进一步研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢