新型深水多立柱FDPSO涡激运动特性研究

摘要

随着全球海上油气开采的日益频繁，海洋平台涡激运动（VIM）受到越来越多学者的关注。本文在国内外学者研究的基础上采用理论分析、数值模拟与水池模型试验的方法，由基础到深入，对一新型深水多立柱FDPSO在不同来流方向及速度下平台的绕流与涡激运动特性进行了较为深入的研究，分析了平台受力情况、运动幅值、响应频谱特性与运动轨迹等。
　　首先，基于CFD计算软件FLUENT建立三维单圆柱与变截面柱数值模型，通过分离涡模拟法进行不同流速下的单柱三维绕流数值模拟，分析两种柱体附近流场特征、柱体表面压力分布与升阻力系数的区别，并在此基础上结合自编程序进行涡激运动数值模拟。研究发现，在高雷诺数单柱绕流中，流场表现出较强的三维特性，圆柱绕流的升力与阻力系数均大于变截面柱；在折合速度6~9范围内，变截面柱与圆柱都出现了锁定现象，与此同时，变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加；圆柱与变截面柱运动轨迹均出现典型的“8”字形；变截面柱尾涡模式在低折合速度下不明显，在高折合速度下大概可归纳为2P模式。
　　其次，以1:80缩尺比制作平台缩尺模型，在上海交通大学海洋工程水池进行模型试验，充分考虑到系泊系统等对平台主体涡激运动的影响，突破了现有涡激运动相关试验研究多在拖曳水池中简化进行的局限。同时在单柱数值模拟的基础上建立FDPSO整体数值模型，进行三维绕流与涡激运动数值模拟，对比研究FDPSO在不同来流方向及速度下平台的绕流与涡激运动特性，研究表明，平台绕流时旋涡主要集中在下游两立柱周围，并存在复杂的相互干扰现象；平台整体升力系数频域谱分析中出现多个谱峰，体现出复杂的三维特性；无论0°还是45°来流，平台的平均阻力系数与升力系数均方根均保持在较为稳定的区间；平台的横荡运动频率未出现典型“锁定”现象，而是一直保持在接近固有横荡频率的范围内；在同一流向下，纵向运动的平衡位置与最大振幅均随着折合速度的增加而增加；平台的运动轨迹未呈现典型的“8”字形或“香蕉”形，较低流速下横荡占据主导位置，在高流速下纵荡运动也变得不可忽略。
　　再次，在模型试验的基础上对风浪流联合作用下多立柱FDPSO的水动力特性进行研究，数值模拟采用DNV船级社的Sesam软件。使用HydroD模块完成水动力特征分析，将计算数据导入DeepC，计算平台主体和系泊系统的耦合水动力结果，并与静水衰减试验、规则波和白噪声试验以及风浪流组合工况试验结果进行对比分析。结果表明，在作业和自存工况下，平台的垂荡、纵荡、横荡等运动最大幅值均小于相应规范的许用值；数值模型可靠，可以实现对FDPSO水动力特性的预报；新型FDPSO运动响应性能良好，系泊系统布置合理。
　　最后，总结本文主要工作与研究内容，并对此平台涡激运动的更深入研究做进一步展望，并提出相关建议。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 涡激运动概念

1.3 平台柱体涡激运动研究进展

1.4 本文主要工作与创新点

1.5 本章小结

第2章 涡激运动基本理论

2.1 边界层

2.2 涡激运动基本参数

2.3 柱体涡激运动主要特性

2.4 本章小结

第3章 圆柱与变截面柱绕流及涡激运动机理研究

3.1 立柱绕流与VIM数值模拟方法

3.2 立柱绕流与涡激运动三维数值模拟

3.3 圆柱绕流特性

3.4 变截面柱绕流特性

3.5 圆柱与变截面柱涡激运动响应

3.6 本章小结

第4章 多立柱FDPSO涡激运动性能预报

4.1 平台简介

4.2 模型试验

4.3 三维绕流特性分析

4.4涡激运动特性分析

4.5 尾涡特性

4.6 本章小结

第5章 风浪流联合作用下多立柱FDPSO水动力特性研究

5.1 水动力计算分析原理

5.2 多立柱FDPSO主体的水动力特性

5.3 自由衰减、规则波和白噪声

5.4 风浪流组合环境条件下的平台响应

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢