深吃水半潛式平臺(tái)繞流場(chǎng)及渦激運(yùn)動(dòng)特性研究.pdf

1、在深水油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，半潛式平臺(tái)是最可靠和最經(jīng)濟(jì)的海洋工程裝備之一。相比于傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)，深吃水的設(shè)計(jì)可以有效改善其在波浪中的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能。然而，由于立柱浸沒(méi)深度的增加和迎流面積的增大，深吃水半潛式平臺(tái)在水流中會(huì)受到更大的沿流向的阻力作用和垂直于流向的脈動(dòng)升力作用，容易發(fā)生渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響平臺(tái)的安全生產(chǎn)以及錨鏈和立管系統(tǒng)的疲勞壽命，因此深吃水半潛式平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)問(wèn)題受到廣泛重視。
　　本文主要采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相

2、互結(jié)合的方法，對(duì)四立柱和深吃水半潛式平臺(tái)的繞流特性、深吃水半潛式平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性及其關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律等問(wèn)題進(jìn)行深入研究分析，并在此基礎(chǔ)上提出一種新型半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)以減弱其渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。
　　基于閉環(huán)風(fēng)洞中的模型試驗(yàn)，研究呈方形布置的四圓柱和四方柱分別在三種立柱間距比和四個(gè)來(lái)流角度條件下的繞流流場(chǎng)特性，并利用大渦模擬（LES)方法對(duì)四圓柱繞流問(wèn)題開(kāi)展三維數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)，由于受到上游立柱尾流場(chǎng)的影響，下游立柱受到的時(shí)均阻

3、力比上游立柱小，但是會(huì)受到更大的脈動(dòng)升力作用。四圓柱和四方柱繞流的時(shí)均阻力系數(shù)隨流向角變化的趨勢(shì)相似，而脈動(dòng)升力系數(shù)的變化規(guī)律差別較大。
　　應(yīng)用LES方法，對(duì)四浮箱半潛式平臺(tái)、兩浮箱半潛式平臺(tái)和無(wú)浮箱四立柱結(jié)構(gòu)的繞流流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，分析浮箱的影響。研究表明，相比于有浮箱平臺(tái)，無(wú)浮箱四立柱結(jié)構(gòu)中的各立柱受到的時(shí)均阻力較大。45。流向角時(shí)，兩浮箱半潛式平臺(tái)由于縱向浮箱的位置相對(duì)于來(lái)流方向?yàn)榉菍?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)縱向浮箱沒(méi)有橫向

4、浮箱的干擾而直接處在迎流中，因此受到較大的升力作用。
　　通過(guò)靜水拖曳模型試驗(yàn)，開(kāi)展系泊深吃水半潛式平臺(tái)在不同流向角與不同立柱吃水比條件下(H/L)的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性研究。利用水平等效系泊模擬系統(tǒng)水平回復(fù)力，采用空氣軸承模擬錨鏈和立管的垂向預(yù)緊力，此裝置可以準(zhǔn)確模擬半潛式平臺(tái)的質(zhì)量比，且使平臺(tái)在水平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)而垂向運(yùn)動(dòng)被限制。試驗(yàn)結(jié)果表明，在折合速度5< Ur<8區(qū)間內(nèi)半潛式平臺(tái)發(fā)生鎖定現(xiàn)象；30。和45。流向角時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

5、最顯著，而0。流向角時(shí)的首搖運(yùn)動(dòng)幅值最大；除0。流向角外，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡主要沿著對(duì)角線方向。半潛式平臺(tái)在1.12< H/L<1.90時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)最大幅值較為接近，而H/L減小至0.87時(shí)，最大幅值減小約30%。
　　在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩浮箱半潛式平臺(tái)和無(wú)浮箱四立柱結(jié)構(gòu)的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析浮箱的存在對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。與四浮箱半潛式平臺(tái)相比，兩浮箱半潛式平臺(tái)和無(wú)浮箱四立柱結(jié)構(gòu)在更小的折合速度時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也較為顯著，說(shuō)

6、明浮箱的存在推遲了渦激運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。無(wú)浮箱四立柱結(jié)構(gòu)的橫向運(yùn)動(dòng)和首搖運(yùn)動(dòng)最顯著；兩浮箱半潛式平臺(tái)會(huì)受到更大的升力作用，因而在大的折合速度下的橫向運(yùn)動(dòng)幅值比四浮箱半潛式平臺(tái)的大。四方形和四菱形立柱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)單個(gè)立柱的遭遇流向角相同時(shí)，二者橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本一致，與四立柱結(jié)構(gòu)的來(lái)流角度關(guān)系不大；且單個(gè)立柱的遭遇流向角為45。時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最為顯著。
　　應(yīng)用分離渦模擬（DES)方法，對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

7、進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證三維DES方法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，考慮分別由尖角方形立柱、不同倒角率的倒圓角方形立柱和圓形立柱組成的半潛式平臺(tái)，開(kāi)展渦激運(yùn)動(dòng)三維數(shù)值模擬，分析立柱倒角率(Rc/L)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，圓形立柱的半潛式平臺(tái)在0。流向角時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)幅值約為45。時(shí)的兩倍，而倒圓角方形立柱的半潛式平臺(tái)在45。流向角時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比0。時(shí)的顯著。45。流向角下，當(dāng)R c/L<0.1時(shí)，平臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)幅值隨立柱倒角率的增

8、加而急劇增大；當(dāng)0.1< Rc/L<0.2時(shí)，橫向運(yùn)動(dòng)最大幅值基本相同；當(dāng)R c/L>0.3時(shí)，橫向運(yùn)動(dòng)幅值隨著倒角率的增加而減小。0。流向角時(shí)，除尖角方形立柱外，其他半潛式平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)幅值基本隨著立柱倒角率的增加而增大。對(duì)尖角矩形浮箱和倒角率0.1的矩形浮箱的半潛式平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果表明，浮箱截面形狀對(duì)尖角方形立柱半潛式平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本沒(méi)有影響，而對(duì)于倒角率0.15的方形立柱和圓形立柱的半潛式平臺(tái)而言，尖角矩形浮箱可以

9、大幅度地減弱其渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。
　　對(duì)三種典型的半潛式平臺(tái)，即尖角方形立柱與尖角矩形浮箱組成的SQC-SQP平臺(tái),倒角率0.15的方形立柱與倒角率0.1的矩形浮箱組成的SRC0.15-SRP0.1平臺(tái)，以及圓形立柱與倒角率0.1的矩形浮箱組成的CC-SRP0.1平臺(tái)，進(jìn)行不同吃水條件下的渦激運(yùn)動(dòng)三維數(shù)值模擬研究，分析立柱吃水比的影響規(guī)律。研究表明，吃水越大則半潛式平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)幅值越大。45。流向角時(shí)，SQC-SQP平臺(tái)在H/L<1

10、.30條件下的橫向運(yùn)動(dòng)很小，而當(dāng)H/L>1.40時(shí)，平臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較為顯著。SRC0.15-SRP0.1平臺(tái)和CC-SRP0.1平臺(tái)在較淺的吃水條件下（H/L=0.51，即立柱浸沒(méi)深度與浮箱等高）也會(huì)發(fā)生較為顯著的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。
　　基于上述研究，提出一種新型半潛式平臺(tái)，即由倒角率0.05的五邊形立柱與倒角率0.05的矩形浮箱組成，并利用DES方法對(duì)其渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)開(kāi)展三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明，與原型半潛式平臺(tái)相比，新型半潛式平臺(tái)