深水半潜式平台模型试验与数值分析

以一座工作水深为1.5 km的深海半潜式钻井平台及其锚泊系统为例,对其在280 m等效截断水深锚泊系统系泊下的6自由度运动和锚链受力进行模型试验研究,缩尺比取为1∶70.采用非线性时域耦合分析法对原深海半潜式钻井平台系统进行数值分析,并将模型试验和数值分析结果进行比较.结果表明:等效截断水深锚泊系统在静力方面可较好地模拟全水深锚泊系统,动力相似上的不足导致其锚链受力最大值与全水深锚泊系统的相差较大;截断水深模型试验对全水深锚泊系统系泊下的半潜平台运动响应的预报较为可信,而平台锚系的受力情况需辅以数值模拟进行研究.     

深水半潜式平台的涡激运动Ⅱ.船型优化研究

基于CFD数值计算方法对深水半潜式平台的涡激运动开展优化研究,提出一种能够抑制涡激运动的半潜平台新形式,并应用模型试验进行对比验证.研究了新型平台和传统型平台的涡激运动特征,对纵向偏移、横荡响应的幅值和分布规律,锁定区间等关键因素进行对比分析;研究了各方向耦合作用下平台的轨迹特征;详细分析了新型平台的减涡机制,从平台泄涡结构和涡激响应的均匀性、稳定性以及响应幅值等方面展开研究,阐述立柱的横剖面形状,排列形式等对平台涡激运动性能的影响.研究表明,这种"立柱的横剖面形状为梯形,呈外八字对称排列"的新型平台形式对抑制平台涡激运动具有积极影响,有助于减少或延缓强非线性涡激运动对系泊、立管系统的破坏作用.     

基于代理模型的三立柱半潜平台多目标优化

在半潜平台初始设计阶段,平台主尺度是影响平台水动力性能和建造成本的关键性因素.因此,对半潜平台主尺度进行多目标优化是一项极具工程意义的研究工作.首先,采用试验设计法确定平台的设计变量和样本数据库.其次,对半潜平台采用面元法和莫里森公式结合的方法进行水动力特性分析.同时在静水面上布置波面升高监测点,计算平台气隙值.根据数值模拟得到的数据库建立基于径向基函数的代理模型,并通过缺一交叉验证法得到径向基函数中的形参数值.所建立的代理模型可以极大提高优化效率.最后,采用多目标粒子群优化算法,以平台安全性和经济性作为两个优化目标,以平台稳性、气隙高度、水平方向运动性能作为约束条件,得到半潜平台的优化方案.通过对半潜平台多目标优化方案的分析,最终提出三立柱半潜平台最高效的优化策略.     

南海桁架式深吃水立柱式平台水动力性能

应用三维势流理论、非线性时域动力耦合分析方法以及深海平台混合模型试验研究方法,针对我国南海北部一座15 km桁架式深吃水立柱式平台（Truss Spar）,在不同海况下对作业装载的平台锚泊系统进行了截断水深模型试验、数值重构研究,并数值外推到全水深,较好地预报了其水动力性能,包括纵荡、垂荡和纵摇. 经分析：Truss Spar平台的垂荡、纵摇低频运动分量较大,同时纵荡也表现出很强的低频特性;此外,平台具有较小的垂荡运动幅值,垂荡性能较好,能较好地满足海上油气生产的要求.     

半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析

为了研究风力机平台的运动特性,利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和莫里森方程计算平台水动力,采用准静态悬链线理论模拟系泊系统,利用海洋工程工具SESAM软件建立了完整高效的风力机系统数值模型.针对自主设计的半潜式海上浮式风力机基础进行了水动力分析,数值分析结果与实验值符合较好.通过系统运动响应的统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响.研究结果表明:该系统数值模型时效性较好,可真实反映浮式风力机平台的运动特性,风力机载荷在大幅增加平台的纵摇和纵荡响应的同时会对纵荡和系泊载荷频谱产生最直接的主导性影响.     

新型多立柱张力腿式浮动风力机概念模型试验研究

近海深水区域蕴藏着丰富的高品质风能,海上浮动风力机是目前开发深水风能最具潜力的新装备.首先分析了开展海上浮动风力机水池模型试验时需要考虑的相似准则,并根据其受力情况综合选取了合适的相似准则.采用基于风轮推力相似而优化设计的模型叶片建立了一套风力机模型,有效解决浮式风力机模型试验中的"尺度效应"问题.本文对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机概念(WindStar Tension Leg Platform System,WindStar TLP System)进行了水池模型试验研究,模型试验缩尺比为150.试验中测定了其空气动力、水动力和结构动力特性,得到了其在不同环境条件下的运动响应和总体性能.模型试验结果可为该新型多立柱张力腿式浮动风力机概念的进一步研究提供参考依据.     

两平台靠泊状态耦合运动响应分析

研究两座半潜式平台靠泊状态耦合动力响应特性,确定安全作业条件．针对通过栈桥连接的两座半潜式平台,考虑风浪流荷载作用,建立两座平台水动力分析模型．基于三维势流理论,在频域内计算旁靠作业中两半潜平台多体耦合水动力性能,分析不同浪向角对平台所受波浪荷载的影响．基于Kalman滤波控制算法,考虑不同海况条件分析靠泊系统的定位能力,并根据位移上限条件得出了可进行靠泊作业的海况．结果表明,二阶波浪荷载对平台水动力相互作用存在影响．斜浪可作业海况最高、横浪次之,纵浪时可进行靠泊作业的海况最低．所得研究结果对于两平台安全靠泊具有参考意义．     

矩形截面半潜式平台浪流耦合作用涡激运动响应二维数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟,针对一型采用矩形截面立柱设计的深吃水半潜式生产平台,研究其在波浪和流共同作用时的涡激运动响应.选取典型135°来流方向,以正弦振荡流模拟波浪,考虑不同KC数、不同相对流数下波浪与同向均匀流耦合作用.研究表明,较之于仅有均匀流作用,均匀流和正弦振荡流耦合作用时,矩形截面立柱的半潜式平台运动响应明显增大.振荡流耦合作用影响显著.     

内置集成浮力罐的几何形Spar平台运动性能数值模拟

对一种新的深海单柱式平台--内置集成浮力罐的几何形Spar (Geometric Spar, G-Spar)的运动性能进行了数值计算研究,并与模型试验结果进行了比较.G-Spar平台结构复杂,探索性地建立了简化的三维水动力数值模型,对包括系泊缆和立管在内的耦合系统进行了运动响应传递函数(RAO)的频域分析和极端海况下的时域分析.研究表明,运动响应传递函数及极端海况下运动时历的计算结果和试验结果基本一致,G-Spar平台具有良好的运动性能,垂荡板对降低G-Spar平台的垂向运动起到了关键性的作用.     

深水半潜式平台的涡激运动Ⅰ.关键特性研究

采用数值计算和模型试验相结合的方法对深水半潜式平台涡激运动特性进行了系统研究.模型试验在拖曳水池内开展,采用4点水平系泊方式;数值计算选用黏性流的计算流体力学方法,建立适用于研究平台涡激运动的分析方法,开发合理的网格划分模式,引入网格变形和重构技术解决非线性的流固耦合问题;研究半潜式平台在不同来流角度下的横荡运动、纵向偏移特征;深入研究涡激锁定现象,给出不同角度下的漩涡锁定区间,获得涡激锁定的相关特性;研究平台涡激响应随折合速度所经历的演化过程;揭示了平台涡激运动随时间变化的发展阶段,分析各阶段漩涡泄放的特点.     

截断系泊系统不同恢复力矩特性对于深水半潜式平台摇摆运动的影响

以工作在1.5km水深的半潜式平台为例,在截断水深模型实验中,设计5套符合水平及垂向回复力、最大单根缆受力特性相似的截断系泊系统,使之具有不同的力矩特性曲线.通过时域耦合计算,比较在这些截断系泊系统下平台的摇荡运动的差异,并与实验结果对比分析.结果表明,水深截断系泊系统的力矩特性是否相似对半潜式平台摇荡运动有一定影响,平台的水平偏移越大时影响越显著.说明在截断系泊系统设计中,保持与全水深系统一致的力矩相似特性的必要性.     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

新型干树半潜平台凝析油外输计算分析

新型干树半潜平台抵御环境载荷能力较强,但是它对环境方向性不敏感.基于三维势流理论,建立新型干树半潜平台和外输油轮的多体系统计算模型,采用时域耦合计算方法对油轮抵达及油轮驶离半潜平台的外输作业工况进行研究,计算分析了不同风、浪、流环境条件下的外输油轮艏摇运动响应和外输系泊缆张力响应.研究结果表明:外输油轮的艏摇运动响应在非共线工况较为剧烈,而外输系泊缆在共线工况最大,且能够满足规范要求.该外输方案可以有效、安全实现新型干树半潜平台凝析油外输.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

超期服务浮式平台锚链疲劳寿命安全评估

基于线性累积损伤Miner理论,根据波频和低频波浪力引起的锚链张力统计幅值及锚链损伤后的破断张力,对某超期服务的半潜浮式平台锚链系统的疲劳寿命进行安全评估.研究结果表明：二阶慢漂是引起浮式平台锚链系统疲劳累积损伤的主要因素;锚链损伤后的破断张力对锚链疲劳安全寿命影响较大.文中提出的锚链疲劳寿命的评估方法同样适用于其他超期服务浮式平台锚链的疲劳安全评估.     

桶形基础平台沉放过程数值模拟分析

平台在沉放过程中,受到复杂的一阶和二阶流体动力作用,为了深入了解沉放过程中平台的运动特性,首先建立了桶形基础平台沉放数值模型,然后通过格林函数法和平台湿表压力积分来计算一阶和二阶流体动力,并耦合求解平台和锚泊线运动方程,得到平台的运动响应.为了验证数值模拟计算的准确度,在上海交通大学海洋工程国家重点试验室进行了平台沉放模型试验,试验结果与数值模拟符合良好.数值模拟分析表明,平台在沉放过程中主要的运动为纵荡、横荡、纵摇和横摇,并且与来波方向有密切关系;二阶波浪力对纵荡和横荡有明显的作用;整个沉放过程中平台运动比较稳定,可以实现平台的自身压载沉底.     

非线弹性索对系泊系统性能的影响

随着船舶的大型化、海洋平台的多样化以及其工作水深的不断加深,锚泊设计过程中锚泊线的成分也由设计初期的单一化向多成分化发展。材料的多样化更是为锚泊设计提供了丰富的选择空间,将对加入非线弹性拉伸材料的系泊线进行数值模拟分析,采用分段外推-校正的方法,计算分析了相同水深下非线弹性拉伸材料对系泊系统变形、张力以及刚度的影响,并且进一步研究了不同水深的情况。结果表明,加入非线弹性拉伸的材料能够有效地降低系泊线张力及自身刚度,加入此种材料的组合系泊系统更适用于浅水。     

浮式生产储油轮诱导软刚臂系泊系统的动力响应

建立软刚臂系泊系统的理论模型和动力方程,模拟实际几何与物理特性及作用机制.开发误差判断结合变步长迭代搜索的数值逼近求解方法和软件,计算分析软刚臂系泊系统在浮式生产储油轮(FPSO)空间6自由度运动诱导下的动力响应特性,并进行模型试验验证.结果表明,该模型的数值计算与试验结果符合很好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊FP-SO系统动力性能的实时监测或理论预报.建议进一步研制实时监测装置,实现安全监控与防护.     

重心高度对浮式结构水动力性能的影响

 通常在计算模拟海上浮式风机平台运动时, 外部结构形式是影响水动力性能的主要因素, 而重心在水动力计算中的影响则被忽略.为了研究重心变化对结构物水动力响应的影响, 以5MW浮式风机平台作为研究对象, 通过数值模拟的方法, 分别对浮筒间距、撑杆形式以及有无垂荡板与重心高度变化结合加以分析研究.结果表明:改变浮筒间距时, 重心高度对水动力性能的影响主要体现在横、纵摇及横、纵荡方面, 且浮筒间距较大的基础形式达到峰值响应时的重心更低;斜撑的改变与其随重心变动得到的运动幅值规律一致, 且峰值响应之后的各响应幅值在数值上基本相同;垂荡板的添加有效降低了纵摇及垂荡幅值;对于三浮筒半潜式平台, 最佳重心位置为水下3~8m处.     

锚泊浮船坞的水动力性能

提出了一种浮船坞锚泊系统响应分析的数值计算模型,运动方程在时域内求解．三维混合积分方程法用于计算浮船坞在频域内的水动力系数和波浪扰动力,并消除了不规则频率的影响．假想作用力法用于模拟锚泊线的作用,考虑了锚泊线的弹性和流力作用．计算和实验证明,在锚链中设置块重能减小浮船坞的最大运动幅值及锚链张力峰值．由于波频运动的影响,交叉锚泊系统其锚链所受的张力幅值比开式锚泊系统大,从而使得交叉锚泊系统锚链的疲劳寿命比开式系统短．