深海平臺(tái)系泊系統(tǒng)模型截?cái)嗉霸囼?yàn)研究.pdf

1、隨著海洋油氣開發(fā)向著深水的推進(jìn)，出現(xiàn)了立柱式平臺(tái)(Spar)等具有自身特點(diǎn)的浮式海洋平臺(tái)型式。為了對(duì)新型平臺(tái)的水動(dòng)力性能和深水系泊系統(tǒng)的動(dòng)載荷進(jìn)行驗(yàn)證，波浪水池模型試驗(yàn)仍然是深水海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一。 深水海洋平臺(tái)的系泊系統(tǒng)具有大的空間尺寸，采用常規(guī)縮尺比和Froude相似準(zhǔn)則在現(xiàn)有試驗(yàn)水池難于完整的模擬。雖然極小縮尺比模型試驗(yàn)是解決方法之一，但其試驗(yàn)精度受制于多種因素。因此研究人員提出了混合模型試驗(yàn)方法，即對(duì)深水系泊系

2、統(tǒng)進(jìn)行截?cái)?，采用等效的水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)在截?cái)嗨钸M(jìn)行模型試驗(yàn)，并采用時(shí)域耦合計(jì)算軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值重構(gòu)和外推，用于平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和載荷預(yù)報(bào)。本文以大型深海平臺(tái)的深水模型試驗(yàn)研究為背景，對(duì)基于靜力和動(dòng)力相似的水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)、截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn)、數(shù)值重構(gòu)和外推進(jìn)行了研究。 闡述了水深截?cái)嘞挡蠢|設(shè)計(jì)原理，提出了水平截?cái)嘁蜃拥母拍?，指出了不?duì)稱布置水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，概括了水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)需要考慮的因素。根據(jù)水深

3、截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)等效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則給出了基于靜力相似的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。為提高計(jì)算速度，開發(fā)了高效的系泊系統(tǒng)靜力計(jì)算模塊，結(jié)合NSGA-Ⅱ算法，實(shí)現(xiàn)了大范圍尋優(yōu)和多目標(biāo)優(yōu)化，提高了水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率和精度。 自主編寫了頻域的系泊纜動(dòng)力計(jì)算程序，研究了系泊纜參數(shù)對(duì)水深截?cái)嘞挡蠢|動(dòng)力和阻尼的影響規(guī)律，提出了基于動(dòng)力相似的水深截?cái)嘞挡蠢|優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。結(jié)合靜力計(jì)算程序、頻域動(dòng)力計(jì)算程序和多目標(biāo)優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了基于動(dòng)力相似的水深截?cái)?/p>

4、系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 自主開發(fā)了基于池岸的系泊纜動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)，借助系泊纜的時(shí)域動(dòng)力計(jì)算程序，建立了頻域、時(shí)域和模型試驗(yàn)相結(jié)合的系泊纜動(dòng)力特性研究方法，形成了“基于頻域方法的動(dòng)力相似優(yōu)化設(shè)計(jì)→時(shí)域計(jì)算校核→單根系泊纜模型試驗(yàn)驗(yàn)證”的基于動(dòng)力相似的水深截?cái)嘞挡蠢|設(shè)計(jì)流程。對(duì)2個(gè)工作在1500m水深的Cell-TrussSpar平臺(tái)在現(xiàn)有工作深水為4m的水池進(jìn)行了模型試驗(yàn)，雖然采用了1:100的模型縮尺比，但是垂向截?cái)嘁蜃尤匀桓哌_(dá)4.3

5、3。由于系泊纜的布置具有沿y軸的不對(duì)稱性，因此很難同時(shí)保證水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)在180°和0°方向上的水平回復(fù)力同時(shí)與全水深系泊系統(tǒng)保持一致。在Cell-TrussSpar-Ⅰ平臺(tái)的模型試驗(yàn)中，采用了特殊的跨距延長(zhǎng)裝置來消除水平截?cái)嗟挠绊?。在Cell-TrussSpar-II-B平臺(tái)的模型試驗(yàn)中，考慮到試驗(yàn)的復(fù)雜程度和數(shù)值重構(gòu)的難度，在2個(gè)方向上分別設(shè)計(jì)了不同的水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)，而沒有采用復(fù)雜的跨距延長(zhǎng)裝置。為了考察重物的使用及其對(duì)水深截?cái)?/p>

6、系泊纜動(dòng)力及阻尼特性的影響，分別設(shè)計(jì)了均勻材質(zhì)和非均勻材質(zhì)的水深截?cái)嘞挡蠢|。 以均勻材質(zhì)的水深截?cái)嘞挡蠢|為例，研究了直徑和單位長(zhǎng)度空氣中質(zhì)量、軸向剛度等對(duì)單根水深截?cái)嘞挡蠢|動(dòng)力特性的影響。采用模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)合的方法研究了單根系泊纜的阻尼特性。結(jié)果表明，合理的控制系泊纜的軸向剛度，可以使得水深截?cái)嘞挡蠢|的動(dòng)力響應(yīng)在目標(biāo)水平位移范圍內(nèi)與全水深系泊纜獲得一致的趨勢(shì)。在保持靜力特性不變的情況下，增加直徑和單位長(zhǎng)度空氣中質(zhì)量可以增大

7、水深截?cái)嘞挡蠢|的波頻動(dòng)力響應(yīng)，但要注意可能誘導(dǎo)的高頻動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)增加水深截?cái)嘞挡蠢|的直徑和單位長(zhǎng)度空氣中質(zhì)量可以增加系泊纜阻尼，甚至可以實(shí)現(xiàn)波頻阻尼與全水深系泊纜一致。由于截?cái)嘁蜃虞^大，系泊纜的低頻阻尼增加十分有限，仍然小于全水深系泊纜。 采用5種水深截?cái)嘞挡蠢|方案進(jìn)行了波浪水池的模型試驗(yàn)，研究了不同水深截?cái)嘞挡蠢|的動(dòng)力特性、低頻阻尼及其與平臺(tái)之間的耦合作用。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的波頻方差吻合較好，說明水深截?cái)嘞?/p>

8、泊纜并不會(huì)顯著改變大型浮式海洋平臺(tái)的波頻運(yùn)動(dòng)。180°和0°方向上不同的水深截?cái)嘞挡蠢|作用下平臺(tái)的縱蕩慢漂分別具有高度的相似性，說明在低頻運(yùn)動(dòng)激勵(lì)相同，并且系泊系統(tǒng)的低頻阻尼相當(dāng)?shù)那闆r下，水平回復(fù)力特性是決定平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的重要因素之一。結(jié)果表明，增加直徑和單位長(zhǎng)度空氣中質(zhì)量而保持單位長(zhǎng)度水中重量不變，可以在不改變系泊系統(tǒng)靜力特性的基礎(chǔ)上，增大水深截?cái)嘞挡蠢|的波頻動(dòng)力響應(yīng)和低頻阻尼。添加重物的水深截?cái)嘞挡蠢|雖然具有形式上的“張緊”特點(diǎn)，但

9、其波頻動(dòng)力響應(yīng)并無明顯改善，而且會(huì)誘發(fā)高頻動(dòng)力響應(yīng)。 采用時(shí)域耦合計(jì)算軟件DeepC進(jìn)行了數(shù)值重構(gòu)和數(shù)值外推，發(fā)現(xiàn)數(shù)值重構(gòu)結(jié)果與截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果吻合較好，證明了數(shù)值軟件和模型的可靠性，并獲得了平臺(tái)關(guān)鍵的水動(dòng)力參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，仍然采用DeepC建立了全水深系統(tǒng)的數(shù)值模型，并進(jìn)行了時(shí)域耦合計(jì)算。通過對(duì)比截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果與全水深的數(shù)值計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0°浪向上“代表性”的水深截?cái)嘞挡蠢|的動(dòng)力特性與對(duì)應(yīng)的全水深系泊纜吻合較好，但

10、是180°浪向上“代表性”的水深截?cái)嘞挡蠢|的動(dòng)力特性與對(duì)應(yīng)的全水深系泊纜仍然具有一定差異。由于存在較大的截?cái)?，使得水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的低頻阻尼明顯小于全水深系泊系統(tǒng)，并且“代表性”的單根系泊纜頂端張力時(shí)歷的平均值明顯小于全水深系泊纜。 為了進(jìn)一步研究垂向截?cái)鄬?duì)水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)及截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn)的影響，以Cell-TrussSpar-II-B平臺(tái)為研究對(duì)象，以海洋深水試驗(yàn)池為背景，分別設(shè)計(jì)了1000m和750m的水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)

11、，采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著垂向截?cái)嘁蜃拥脑黾?，平臺(tái)的慢漂運(yùn)動(dòng)和“代表性”水深截?cái)嘞挡蠢|頂端張力時(shí)歷平均值與對(duì)應(yīng)的全水深結(jié)果的偏差逐漸增大。當(dāng)垂向截?cái)嘁蜃虞^小時(shí)，通過“平衡”可以設(shè)計(jì)出在所有方向上的靜力和動(dòng)力特性均與全水深系泊系統(tǒng)吻合較好的水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)。 為解決大型深海平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)在現(xiàn)有試驗(yàn)水池的模型試驗(yàn)問題，提出了水平截?cái)嘁蜃拥母拍?，詳?xì)闡述了水深截?cái)嘞挡蠢|設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，編寫了系泊系統(tǒng)的靜力計(jì)算程序和系