考慮輻射阻尼的Spar平臺渦激運動分析方法研究.pdf

1、隨著海洋石油開發(fā)逐漸從近海向深水發(fā)展，一些用于深水開發(fā)的海洋采油平臺成為研究的熱點，Spar平臺是20世紀末才被實際應用到海洋石油開發(fā)中的，是較為年輕的一種平臺，具有良好的穩(wěn)定性，便利性，經(jīng)濟性，因此具有廣闊的應用前景。而Spar平臺在一定來流作用下會發(fā)生由于尾流渦旋脫落引起的渦激運動，對立管以及錨泊系統(tǒng)的疲勞壽命有著嚴重影響，因此，對Spar平臺的渦激運動特性進行研究有著重要意義。
　　目前對Spar平臺的渦激運動研究以縮尺模型

2、實驗居多，但縮尺模型實驗中往往選擇弗汝德相似準則進行縮尺，從而根據(jù)縮尺模型的實驗結(jié)果外推原型Spar平臺的渦激運動特性，這是有所欠缺的，因為引起平臺渦激運動的尾流渦旋泄放與雷諾數(shù)、約化速度Ur密切相關(guān)。在模型實驗中如果不能保證比例模型和原型在雷諾數(shù)上一致，那么比例模型和原型的振動特性在相似關(guān)系上會出現(xiàn)一定程度的不符。尤其對于Spar平臺的縮尺模型實驗，如果采用弗汝德相似準則進行縮尺實驗，由于采用的縮尺比很小，雷諾數(shù)在模型和原型之間將發(fā)生

3、數(shù)量級上的跨越，這對于實驗結(jié)果的可靠性有著較大影響。因此，本文在第三章著重對縮尺比例模型實驗中所采用的相似準則進行了探討，主要對全相似模型、雷諾相似模型和弗汝德相似模型這三種縮尺模型進行了比較研究，通過數(shù)值模擬方法和實驗方法最終認為，在渦激振動（渦激運動）的縮尺實驗研究中，應首先考慮雷諾相似準則進行縮尺，而通過弗汝德相似準則進行縮尺的模型其振動特性不能與原型滿足相應的比例關(guān)系。
　　基于Spar平臺渦激運動實驗研究存在的缺陷，本文

4、在第四章通過MATLAB軟件編程對Spar平臺的渦激運動進行研究分析。在大多數(shù)CFD軟件中對渦激振動（渦激運動）的計算并不考慮結(jié)構(gòu)自身速度和加速度對流體反作用力，本文在編程中對該影響進行了考慮，而且目前對于阻尼的計算，往往將結(jié)構(gòu)阻尼和流體阻尼合并為一個阻尼參量，本文將結(jié)構(gòu)阻尼和流體阻尼分開進行計算，建立了考慮輻射阻尼時Spar平臺渦激運動的動力模型，比較分析了輻射阻尼對渦激運動的影響，同時對Spar平臺橫蕩，縱蕩，橫搖和縱搖四個自由度的

5、運動進行耦合求解。為了驗證該數(shù)值模型的正確性，本文在第五章通過模型實驗進行比較分析，此時數(shù)值模型采用實際模型實驗中的各類參數(shù)進行計算，將計算結(jié)果同實驗結(jié)果進行比較，結(jié)果表明，此數(shù)值模型能較好的符合實際實驗情況。
　　本文在第六章對Spar平臺的渦激運動進行了數(shù)值模擬研究，基于ANSYS-CFX對Spar平臺實際尺寸及來流條件下的渦激運動進行了比較分析。通過不同流速下的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，盡管Spar平臺在水深方向截面尺寸發(fā)生變化，但

6、渦旋脫落卻有著較強的一致性，并不因截面變化而變化，三維效應明顯。另外在第六章本文還運用之前所編譯的渦激運動程序進行了數(shù)值計算，并將結(jié)果同數(shù)值模擬的結(jié)果進行比較，研究發(fā)現(xiàn)，由于編程考慮了輻射阻尼，編程計算所得的縱蕩幅值響應較數(shù)值模擬結(jié)果小得多，而縱蕩均值同數(shù)值模擬結(jié)果能很好吻合，編程計算所得的橫蕩響應在數(shù)值模擬的非鎖定區(qū)流速下同數(shù)值模擬結(jié)果能較好的吻合。由于橫蕩運動是Spar平臺渦激運動中最重要的主導運動，可見本文所編譯的Spar平臺渦激

7、運動的分析程序是有一定適用性的。
　　在第七章本文通過CFD方法對螺旋側(cè)板的抑渦作用進行了機理性研究，建立了帶側(cè)板和無側(cè)板的流場數(shù)值模型。通過對兩種模型的渦旋泄放和升阻力系數(shù)的比較分析發(fā)現(xiàn)，螺旋側(cè)板的存在能明顯降低升力系數(shù)幅值，但會增加拖曳力系數(shù)均值，螺旋側(cè)板的存在還會對尾流渦泄周期產(chǎn)生影響。通過對帶側(cè)板模型不同分段的升阻力系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，流場模型自上而下有著一致的渦旋脫落周期，而且各分段上的升力系數(shù)幅值均大幅減小，并不是疊加后才產(chǎn)