水下管汇在线安装中的动力学研究

摘要

近年来，战略性海上圈地、提高海洋装备技术水平已成为当前不可避免的海洋趋势，然而我国在水下生产系统的开发上起步较晚，与国外先进水平相比仍有差距。水下管汇是应用最为广泛的水下设施之一，但是它的安装受海洋环境的复杂性影响极大。因此本论文以水下管汇的在线安装为目标，将水下管汇、铺管船和海底管道作为一个相互影响的整体进行研究，为保障水下海洋工程作业的安全性提供重要依据。 本文中的水下管汇-铺管船-管道耦合模型由三维辐射绕射理论下的铺管船运动方程、基于连续介质力学理论的管道动力学模型、基于莫里森公式计算的水下生产设施的水动力模型和利用PID控制器的船舶动力定位模型这四个主要部分构成。 本文采用基于重叠网格的动态流体固态相互作用方法，对不同速度下的水下管汇的阻力进行仿真模拟，根据仿真结果利用MATLAB拟合求解附加质量和阻尼系数。 基于构建的耦合模型，首先通过分别对不同工况下的铺管船动力定位模型、铺管船-管道耦合模型以及铺管船-管道-水下管汇耦合模型进行时域耦合仿真分析，得到铺管船、管道以及水下管汇三者之间的作用规律;然后对不同工况下的铺管船动力定位模型、铺管船-管道耦合模型以及铺管船-管道-水下管汇耦合模型的仿真分析结果进行对比研究，以探讨复杂海况对铺管船动力定位性能、S型铺管作业和水下管汇在线安装作业的影响规律。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究意义

1．3水下管汇安装技术

1．3．1几种典型水下管汇安装技术

1．3．2水下管汇在线安装程序

1．4国内外研究现状

1．5本文研究内容

第2章数值分析理论基础

2．1海洋石油201船数学模型的建立

2．1．1坐标系的定义

2．1．2运动学模型

2．1．3动力学模型

2．2管道动力学模型

2．2．1连续介质力学基础理论

2．2．2RIFLEX有限元模型

2．3水下管汇的水动力计算

2．4铺管船动力定位系统理论

2．5本章小结

第3章水下管汇水动力系数计算

3．1数学模型

3．1．1坐标系的建立

3．1．2湍流控制方程

3．1．3基于重叠网格技术的DFBI方法

3．1．4水动力参数求解方法

3．2管汇计算模型的建立

3．2．1受力分析

3．2．2几何模型

3．2．3计算区域及网格划分

3．2．4边界条件和物理模型的确定

3．2．5求解器和停止条件

3．3．1附加质量的求解

3．3．2阻力系数的求解

3．4本章小结

第4章铺管船在波浪环境下运动分析

4．1计算模型

4．1．1铺管船模型

4．1．2滚轮配置

4．1．3管道参数

4．2船舶动力定位数值模拟

4．2．1不同浪向下船体运动响应分析

4．2．2不同有义波高下船体运动响应分析

4．2．3不同波浪周期下船体运动响应分析

4．3 S型铺管作业时域耦合分析

4．3．1静态分析

4．3．2不同波浪下S型铺管作业时域耦合分析

4．3．3不同海流流速下S型铺管作业时域耦合分析

4．4本章小结

第5章水下管汇在线安装作业时域耦合分析

5．1数值计算方法

5．2静态分析

5．3波浪对水下管汇在线安装作业的影响

5．3．1波浪有义波高

5．3．2波浪谱峰周期

5．4海流流速对水下管汇在线安装作业的影响

5．5管道参数对水下管汇在线安装作业的影响

5．6水下管汇在线安装案例分析

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