深海Spar平台主体-月池流体耦合运动研究

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Spar平台作为深水域中极具竞争力的平台类型,在深水油气开发中扮演者极重要的角色。Spar平台的中央井自下而上贯穿整个主体,其内按照一定的方式布置立管和其它重要钻井设施,构成Spar平台的月池,Spar平台中月池在底部有不完全封闭的,海水通过底部这些不完全封闭的底板自由进入或者流出月池。虽然理论上应该完全关闭月池的底部,但是因为要进行实际的设计,所以某些区域不得不开启,因此产生了波浪激励引起月池内部流体共振问题。本文的具体工作以及结论如下:(1)运用SESAM软件计算月池底部全开口以及全封闭时Spar平台的水动力性能以及RAO曲线。垂荡结果表明,当月池底板全封闭时,月池内海水处理为刚体,在平台主体运动的质量和刚度项中考虑月池内海水质量;当月池底部全部打开时,RAO曲线会在月池流体固有频率处出现小峰值,说明如果波浪频率接近月池流体固有频率,那么也会造成Spar平台较大的垂荡运动。(2)考虑顶张紧立管的作用,建立平台主体垂荡与月池流体耦合运动模型,并且针对算例模型进行了试验研究。试验结果与数值计算结果相匹配,均表明月池流体对主体垂荡有抑制作用,合理设计挡板面积可减小平台主体的垂荡运动。随着挡板开口面积的增加,主体垂荡RAO逐渐呈现两个峰,波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时也会激起主体较大的垂荡运动;平台主体与月池流体之间的耦合系数对主体垂荡运动影响显著。(3)假定月池底部为全封闭,运用晃动等效力学模型理论,确定等效力学模型参数,运用ANSYS作为模型建立以及网格划分的前处理软件;运用Galerkin有限元方法求解相应的月池流体晃动的固有频率、模态函数以及势函数离散解;应用Matlab软件编制了月池流体晃动程序。算例的计算结果与解析解相匹配,表明程序的正确性。(4)运用拉格朗日原理,建立了Spar平台垂荡-纵摇与月池耦合系统的动力学方程,考虑垂荡参数激励以及月池内流体的晃动,建立Spar平台纵摇运动的Mathieu方程;采用摄动法理论确定了纵摇运动的谐波振动以及1/2亚谐波振动的稳定性边界。结果表明液体晃动的阻尼明显减小了谐波振动的不稳定区域,而对于1/2亚谐波振动的不稳定区域作用不明显。当垂荡运动参数处于不稳定区域内时,会引起Spar平台纵摇响应过大现象。
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