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1500米水深张力腿平台运动和系泊特性数值与试验研究

作　者: 黄佳
导　师: 肖龙飞
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: 张力腿平台垂直张紧式系泊系统模型试验数值模拟
分类号: U661.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

张力腿平台(TLP)是目前深海油气开发最常用的形式之一,其升沉运动小,适用水深大,抵抗恶劣海况能力较强,具有很高的性价比。我国南海蕴藏丰富的石油资源,而TLP较为适合在我国南海投入使用,在当前向深海进军的大趋势下,对张力腿平台进行相关的研究具有重要的现实意义本文对一座工作水深为1500m的张力腿平台进行数值分析,研究了张力腿平台的水动力性能。建立TLP的数值模型,根据三维势流理论进行频域计算,获得附加质量、阻尼、一阶波浪激励力和二阶差频力传递函数,以及平台六模态运动响应幅值算子等水动力参数。对平台主体和系泊系统进行时域耦合计算,根据频域转时域的方法,求解时域微分方程,得到平台在不同海况下的响应,分析平台的水动力性能。在深水试验池开展TLP水动力性能的全尺度缩尺模型试验,开发形成张紧式系泊系统模拟技术。通过模型试验与计算结果的对比,发现TLP纵荡、横荡运动主要呈现低频响应;垂荡运动受到水平运动的直接影响,在表现出波频特性的同时表现出更多的低频特性;纵摇和横摇运动主要呈现波频及高频特性,其运动幅值实验值大于计算值,说明高频运动的数值计算方法存在不足。TLP的艏摇运动也值得关注,由于平台呈中心对称,在180°和225°浪向角下艏摇计算值很小,而在模型试验中却测出了较为明显的艏摇运动。该现象由于不同张力腿之间刚度误差的不对称引起,亦说明艏摇值对环境及自身系统条件较为敏感。对TLP系泊系统特性进行研究。针对垂直张紧式系泊系统的特殊性,提出一种简捷的快速计算系泊系统静力特性的计算方法。该方法耦合考虑了平台水平偏移引起的垂向偏移,通过对单位系泊缆上的静力平衡方程进行积分求解,计算结果与试验结果对比吻合良好。最后,为进一步确定TLP平台的运动机理,设计了两组规则波试验,用控制变量的方法研究了波长、波高对平台运动响应的影响。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第一章绪论  13-24
  1.1 海洋石油资源  13-14
  1.2 张力腿平台的发展与概念创新  14-18
  1.3 张力腿平台水动力性能研究现状  18-22
    1.3.1 立管、张力腿的涡激振动（VIV）  18
    1.3.2 流作用下平台浮体的运动  18-19
    1.3.3 波浪力  19-20
    1.3.4 耦合运动分析  20-22
  1.4 本文研究内容与创新点  22-24
    1.4.1 主要研究内容  22
    1.4.2 研究意义  22-23
    1.4.3 主要创新点  23-24
第二章基本理论  24-36
  2.1 三维势流理论  24-27
    2.1.1 坐标系  24
    2.1.2 速度势及边界条件  24-27
  2.2 频域计算理论  27-30
    2.2.1 频域运动方程  27-28
    2.2.2 附加质量和阻尼系数  28-29
    2.2.3 回复力刚度矩阵  29
    2.2.4 波浪激励力  29-30
  2.3 时域计算理论  30-31
  2.4 实验理论  31-35
    2.4.1 相似法则  31-32
    2.4.2 坐标系  32-33
    2.4.3 海洋环境条件模拟  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章 TLP 运动性能分析  36-66
  3.1 TLP 模型  36-47
    3.1.1 TLP 主尺度及载况参数  36-38
    3.1.2 计算模型  38-39
    3.1.3 试验模型  39-47
  3.2 计算结果  47-56
    3.2.1 附加质量及阻尼系数  47-49
    3.2.2 RAO  49-50
    3.2.3 一阶波浪力  50-51
    3.2.4 二阶平均波浪力  51-52
    3.2.5 运动时历  52-56
  3.3 试验内容  56-59
    3.3.1 静水衰减试验  56-59
    3.3.2 波浪试验  59
  3.4 运动响应的数值与试验结果对比  59-65
    3.4.1 RAO 对比  59-62
    3.4.2 运动统计值对比  62-64
    3.4.3 运动谱分析  64-65
  3.5 本章小结  65-66
第四章系泊特性分析  66-74
  4.1 静力特性分析  66-69
    4.1.1 静力平衡方程  66-67
    4.1.2 求解方法  67-68
    4.1.3 计算结果与分析  68-69
  4.2 动力特性分析  69-71
  4.3 系泊力统计值对比  71-73
  4.4 本章小结  73-74
第五章 TLP 在规则波中响应分析  74-78
  5.1 Hull-Tether 耦合响应  74-75
  5.2 波高对响应的影响  75-77
  5.3 本章小结  77-78
第六章总结与展望  78-80
  6.1 研究工作总结  78-79
  6.2 进一步工作展望  79-80
参考文献  80-82
攻读硕士学位期间发表或录用的论文  82-83
致谢  83

1500米水深张力腿平台运动和系泊特性数值与试验研究

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