深水鉆井船水動(dòng)力性能研究.pdf

1、隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)逐步走向深水,對(duì)于深海油氣鉆探系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)問(wèn)題。與其他海洋平臺(tái)相比,鉆井船具有機(jī)動(dòng)性能好,可變載荷大,自持能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適合在全球范圍內(nèi)不同海域連續(xù)作業(yè),在深海油氣開(kāi)發(fā)中得到了廣泛地應(yīng)用。又由于鉆井船受風(fēng)浪影響較大,為了提高開(kāi)工效率,對(duì)其進(jìn)行深入的水動(dòng)力性能研究十分必要。本文采用理論研究、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)一艘最新設(shè)計(jì)的深水鉆井船的總體水動(dòng)力性能及其月池內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。其中模型試

2、驗(yàn)在上海交通大學(xué)深水試驗(yàn)池完成,縮尺比為1:50;數(shù)值計(jì)算方法包括三維勢(shì)流理論數(shù)值計(jì)算和CFD數(shù)值模擬。
　　本文采用三維勢(shì)流理論對(duì)其進(jìn)行頻域分析,得到了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(RAO)、平均波浪漂移力,以及垂向運(yùn)動(dòng)的短期預(yù)報(bào),數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)吻合較好。鉆井船垂蕩RAO在7.6s左右出現(xiàn)峰值,是受到了月池內(nèi)流體活塞運(yùn)動(dòng)的影響;縱搖RAO在180度浪向角下的峰值周期大約為12秒,偏離了縱搖固有周期,是受到了月池內(nèi)流體晃蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

3、平均波浪漂移力主要集中在5秒至14秒。然后采用頻域轉(zhuǎn)時(shí)域的方法,對(duì)深水鉆井船進(jìn)行了時(shí)域數(shù)值分析,得到了不同海洋環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)性能,時(shí)域分析結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異,但在允許范圍內(nèi)。垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在迎浪狀態(tài)下較小,橫浪狀態(tài)下較大,并且在受到風(fēng)和流作用時(shí)會(huì)略微增大;縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)于浪向角和風(fēng)流載荷不很敏感;橫搖運(yùn)動(dòng)在斜浪狀態(tài)小于橫浪狀態(tài),且在受到風(fēng)流作用時(shí)會(huì)增加平均橫傾,但運(yùn)動(dòng)幅值有所減小。對(duì)于月池內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng),采用CFD數(shù)值模擬進(jìn)行研究

4、。首先建立了基于NS方程和VOF法的數(shù)值波浪水池,實(shí)現(xiàn)了鉆井船與波浪的耦合運(yùn)動(dòng),然后分別分析了方形與長(zhǎng)形月池內(nèi)的流場(chǎng)特征。其中,方形月池內(nèi)的流體以垂向運(yùn)動(dòng)為主,即發(fā)生活塞運(yùn)動(dòng),它會(huì)在共振狀態(tài)下受到月池本身的激勵(lì)而放大,并會(huì)增加船體的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值,另外,船體運(yùn)動(dòng)也會(huì)加劇月池內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)形月池內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)既有垂向運(yùn)動(dòng),又有水平運(yùn)動(dòng),目標(biāo)鉆井船月池后端的臺(tái)階結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致較大的波面升高幅值,月池活塞振蕩的固有周期為7.6秒,流體強(qiáng)烈的垂向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)

5、致了船體垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO的一個(gè)峰值,月池晃蕩的固有周期在12秒左右,流體強(qiáng)烈的晃蕩運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了船體在180度浪向角下的縱搖運(yùn)動(dòng)RAO的峰值偏離了其固有周期。通過(guò)與模型試驗(yàn)結(jié)果和勢(shì)流方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了CFD模擬的準(zhǔn)確性、可靠性以及必要性。另外,本文還通過(guò)模型試驗(yàn)方法,對(duì)不規(guī)則波作用下月池內(nèi)波面升高進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)格柵式阻尼板可以有效地減小月池內(nèi)波面升高。綜上所述,本文對(duì)深水鉆井船總體水動(dòng)力性能及其月池內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)展開(kāi)了系統(tǒng)深入的研究,并