随机波与涡激作用下Spar平台非线性耦合运动分析

摘要

目前，Spar平台已经在美国墨西哥湾深水海域油气开发中得到广泛应用，这种平台因其优良的运动性能和经济灵活的特点被许多石油公司视为未来深水油气开发的重点和方向。Spar平台垂荡、横摇、纵摇的非线性耦合运动响应问题是近些年研究的热点。本文根据Spar平台在水中位置变化的几何关系推导了平台垂荡-横摇-纵摇三自由度的非线性耦合静水回复刚度，并在此基础上建立了平台的非线性耦合运动方程;采用基于势流理论的浮体绕/辐射数值计算程序求解了作用在平台主体上的一阶波浪载荷线性传递函数(LTF)和二阶波浪载荷二次传递函数(QTF)矩阵;采用CFD软件Fluent对圆柱的二维绕流进行了数值模拟，得到涡激升力系数和涡泄频率;基于传递函数和海浪谱生成随机波浪载荷的时间历程，在时域内分别数值模拟了单向随机不规则波、多向随机不规则波以及随机波和同向海流引起的涡激载荷共同作用下Spar平台的垂荡-横摇-纵摇非线性耦合运动响应，得到的主要结论如下:
　　(1)当考虑单向随机不规则波作用时，不同海域下Spar平台的垂荡-纵摇耦合随机运动响应主要受有义波高Hs和谱峰周期Tp这两个波浪参数的控制，且波浪特征周期对平台的随机运动响应影响很大;二阶平均波浪漂移载荷主要影响平台垂荡运动平均值，而对平台纵摇运动平均值无明显影响;二阶低频随机波浪载荷对于平台纵摇运动影响显著，而对垂荡运动影响很小;瞬时波面升高对于平台垂荡运动影响显著，对于纵摇运动影响较小，垂荡运动计算考虑瞬时波面升高是必要的;
　　(2)与单向随机波中的运动响应不同，平台在多向随机波作用下会产生明显的横摇运动，而且由于三个自由度运动之间的耦合作用，在某些海况下，平台的横摇运动幅值甚至超过了纵摇运动幅值;随着方向分布参数s值的增加，平台的横摇运动响应逐渐减小;方向分布参数s的值对多向波随机波面升高、垂荡随机波浪力和垂荡运动响应幅值的影响均很小。
　　(3)当考虑随机波浪载荷和涡激载荷同时作用时，涡激载荷引起的横摇运动响应成分与波浪引起的横摇运动响应成分的幅度相当，因此在进行Spar涡激运动特性方面研究时，不应只是考虑平台的平动自由度（纵荡、横荡）运动，涡激升力引起的平台横摇运动也不能忽视。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 Spar平台简介

1．3 国内外研究现状

1．4 本文研究内容及创新点

1．4．1 研究意义与内容

1．4．2 研究创新点

第二章 运动方程的建立

2．1 引言

2．2 模型及坐标系

2．3 非线性耦合静水回复刚度的推导

2．4 Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动方程

2．5 求解运动方程的数值方法

2．6 小结

第三章 Spar平台频域波浪载荷计算

3．1 引言

3．2 一阶波浪载荷传递函数

3．2．1 线性势流理论

3．2．2 源汇分布法

3．3 二阶波浪载荷传递函数

3．4 计算结果及分析

3．5 小结

第四章 单向随机波中Spar平台垂荡-纵摇耦合运动分析

4．1 引言

4．2 随机海浪模型

4．2．1 Pierson模型

4．2．2 Longuet-Higgins模型

4．3 海浪频谱

4．3．1 Pierson-Moscowitz谱(P-M谱，ITTC单参数谱)

4．3．2 ISSC双参数谱(ITTC双参数谱)

4．3．3 JONSWAP谱

4．3．4 Torsethaugen谱

4．4 单向随机不规则波数值模拟

4．4．1 线性波浪叠加法

4．4．2 单向随机不规则波数值模拟结果

4．5 单向随机波波浪载荷数值模拟

4．5．1 计算原理简介

4．5．2 单向随机波波浪载荷数值模拟结果

4．6 单向随机波中Spar平台垂荡-纵摇耦合运动响应

4．6．1 不同海况下的运动响应对比

4．6．2 二阶波浪载荷的影响

4．6．3 瞬时波面升高的影响

4．7 小结

第五章 多向随机波中Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动分析

5．1 引言

5．2 方向谱

5．2．1 余弦型方向分布

5．2．2 半角余弦型方向分布

5．2．3 Mitsuyasu方向分布

5．2．4 Wrapped-normal方向分布

5．2．5 Donelan方向分布

5．3 多向随机不规则波数值模拟

5．3．1 双重叠加法

5．3．2 频率方向对应法

5．3．3 等分能量法

5．4 多向随机波波浪载荷数值模拟

5．5 多向随机波中Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动响应

5．5．1 不同海况下的运动响应及与单向波对比

5．5．2 方向分布参数的影响

5．6 小结

第六章 随机波与涡激作用下Spar平台非线性耦合运动分析

6．1 引言

6．2 基本理论

6．2．1 流体动力学基本方程

6．2．2 圆柱绕流基本理论

6．2．3 计算流体动力学基本原理

6．3 涡激载荷数值模拟

6．3．1 二维圆柱绕流模型的建立

6．3．2 二维圆柱绕流升力系数及泄涡频率

6．3．3 涡激力矩计算

6．4 随机波与涡激作用下Spar平台垂荡-横摇-纵摇耦合运动响应

6．5 小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢