Spar平台垂荡板受迫振荡水动力特性研究

首先针对圆形实板以及不同透空率下垂荡板作受迫正弦振荡的水动力特性进行了数值模拟研究,得到垂荡板作正弦振荡的阻力和附加质量系数,进而分析得出透空率对垂荡板阻尼及附加质量的影响规律;其次比较了相同透空率情况下不同小孔数目对垂荡板水动力特性的影响,并比较了不同形状垂荡板的水动力特性;最后还对双板之间的间距进行了优化计算.在此基础上综合考虑垂荡板受迫振荡水动力特性,为深水Spar平台的垂荡板优化设计提供技术指导,使其能够有效地改善Spar平台的垂荡运动性能.     

SPAR平台在波浪中运动的时域预报方法

在船舶与波浪相互作用时的三维预报方法的基础上,发展了SPAR平台与规则波相互作用的时域数值预报方法,该方法计入了SPAR平台垂荡和纵摇阻尼效应。使用该方法对一经典SPAR平台进行了规则波中的时域数值模拟。通过计算分析可以看出,该方法能捕捉SPAR平台在临界波浪周期下的耦合运动,验证了该方法的可靠性。     

带分形孔垂荡板浮式风力机性能的大涡模拟分析

垂荡板作为一种能增加浮式支撑平台附加质量和水动力阻尼的被动装置，能抑制平台的运动响应，提高风力机的效率。论文研究带分形孔的垂荡板对浮式风力机水动力-气动力耦合性能的影响。用两相流求解器naoe-FOAM-SJTU求解系泊状态浮式平台的水动力响应。将非稳态致动线模型嵌入两相流求解器，用来求解受平台运动影响的风力机气动性能。研究结果表明：开孔垂荡板能提升浮式风力机系统的稳定性，减小平台运动响应的幅值，增大风力机气动功率。此外，开分形孔的垂荡板的效果优于开规则孔的垂荡板，它是增强系统稳定性的可行方案。     

S-spar平台垂荡板数目确定及立管系泊系统耦合分析

考虑到目前S-spar平台垂荡板数目是参考Truss Spar平台3块垂荡板的设计,而未结合平台本身特性进行深入研究,因此基于SESAM对S-spar平台进行频域分析,确定S-spar平台采用4块垂荡板更为合适。在4块垂荡板的S-spar平台频域分析的基础上,对系泊系统及立管进行耦合分析,对比有无立管情况,发现考虑立管后平台各自由度上运动显著减小。为解决立管张力过大的问题,在立管上安装浮子,讨论浮子位置、浮子浮力对立管张力的影响,确定安装500 k N的浮子在距立管悬垂段距顶端65%处为最优方案。     

半潜漂浮式风机垂荡板附加质量研究

半潜漂浮式风机基础往往采用立柱-垂荡板组合结构作为选型型式，这种选型型式的垂荡板附加质量是影响漂浮式风机垂向运动性能的重要参数。以基于边界元法的水动力分析为手段，对半潜漂浮式风机基础垂荡板附加质量的影响因素进行分析与讨论。研究表明：构成半潜漂浮式风机基础多个立柱的垂荡板附加质量彼此之间的干扰较小，并可根据单立柱-垂荡板结构的附加质量推导得到半潜式风机基础的垂向自由度运动整体附加质量。垂荡板-立柱直径比和垂荡板深度的改变都可以调整附加质量，然而从材料成本考虑，改变垂荡板-立柱直径比是较优的选择，最后根据简化计算模型和半潜漂浮式风机的频率设计策略给出了对于初步选型可选择的垂荡板-立柱直径比范围。     

和型组合共振激励下深海SPAR平台运动稳定性分析

深海SPAR平台在环境载荷作用下的运动稳定性问题已经成为当前的研究热点。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方式,在不考虑系泊张力影响并且满足组合共振条件情况下,探讨当波浪幅值达到一定程度时垂荡、纵摇响应的局部分岔现象。结果表明：在组合共振发生时,垂荡、纵摇响应均变得不稳定,而且纵摇响应幅值较大;垂荡固有频率与两倍的纵摇固有频率之间的偏差越大,激起纵摇分岔现象需要的波浪幅值越大;波浪频率在一定范围内的变化对a5曲线影响不大,但当波浪频率与垂荡和纵摇固有频率之和的偏差超过一定范围时组合共振现象会消失。     

Spar平台垂荡一纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。     

新型漂浮式垂直轴风力发电机平台的动态响应分析

针对一种功率为50 kW的H型垂直轴风力机,为解决传统半潜式平台垂荡响应大的问题,设计一种安装垂荡架的半潜式风力机平台。考虑风、流及波浪载荷的综合作用,采用绕射/辐射理论和水动力分析方法,对传统平台和垂荡架平台的运动进行数值模拟,结合正交设计方法研究外浮筒数目、垂荡架安装位置、垂荡架形状对平台运动响应的影响。结果表明,在频域分析中,与传统平台相比,垂荡架平台在垂荡、纵荡、纵摇3个方向上的响应极值均有明显降低,垂荡响应极值减小10.4%;时域耦合分析结果与频域分析规律相同,垂荡架平台在垂荡、纵荡、纵摇3个方向上的响应极值、标准差均比传统平台降低,表明安装垂荡架后平台的稳定性更好;正交试验结果表明,对半潜式垂荡架平台垂荡时域RAO极值影响最大的因素是外浮筒的数目,其次是垂荡架布置位置,影响最小的是垂荡架的形状。     

一种新型深水浮式平台及其系泊系统动力响应分析

本文以一种可支持干式采油树的新型深水浮式平台为研究对象,采用频域和时域分析方法,分析不同工况下该平台的运动响应和锚链力特性,并与试验数据相对比以验证数值方法的正确性。在此基础上,重点分析了锚链断裂和伸缩立柱长度对该平台各项性能的影响。研究表明,该新型深水浮式平台具有优越的垂荡运动性能,且伸缩立柱长度对其垂荡运动具有影响。此外,如果发生锚链断裂,将对平台水平运动及锚链力产生较大影响。     

考虑粘滞阻尼的Truss Spar频域响应分析

联合势流理论与修改的Morison方程,建立波浪作用下的Truss Spar平台运动响应计算模型。波浪激振力与相关水动力信息采用高阶边界元计算方法获得。通过数值模拟得到Truss Spar平台纵荡、垂荡和纵摇RAO,针对Morison阻力系数对响应的影响进行参数分析。计算结果显示,纵荡和纵摇仅在低频部分对阻力系数敏感。因此平台在遭受二阶波浪慢漂力作用时,粘滞阻尼将起到重要作用。对于垂荡方向,由于Truss Spar安装的垂荡板提供了较大的竖向粘滞阻尼,因此垂荡RAO受阻力系数的影响较大。     

Experimental and numerical study of the effects of heave plate on the motion of a new deep draft multi-spar platform

The heave motion of a floating structure is critical, as a favorable heave characteristic permits dry tree systems, amongst other benefits. The heave response can be suppressed by installing heave plates. However, the associated hydrodynamic effects, which include viscous damping and added mass, are very complicated. Moreover, there are limited experimental investigations to understand the heave plate effects on actual platform designs. This paper aims to study the abovementioned issue based on a novel deep draft multi-spar (DDMS) platform, for four different configurations (with/without upper and lower heave plates). A set of experiments (free decay, regular and irregular wave tests) are conducted, and compared with time domain and linearized frequency domain analyses. Amongst other things, the investigations and discussions include the added mass and damping coefficients for the platform and heave plates, comparison of experimental and numerical results, and the influence of the heave plates on the surge, heave and pitch motions.     

Truss Spar平台非线性垂荡-纵摇耦合随机运动分析(英文)

Considering the static stability and the change of the displacement volume, including the influences of higher order nonlinear terms and the instantaneous wave surface, the nonlinear coupled heave-pitch motion was established in stochastic waves. The responses of heave-pitch coupling motion for the Truss Spar platform were investigated. It was found that, when the characteristic frequency of a stochastic wave is close to the natural heave frequency, the large amplitude pitch motion is induced under the parametric-forced excitation, which is called the Mathieu instability. It was observed that the heave mode energy is transferred to pitch mode when the heave motion amplitude exceeds a certain extent. In addition, the probability of internal resonant heave-pitch motion is greatly reduced while the characteristic wave frequency is away from the natural heave frequency.     

Nonlinear random motion analysis of coupled heave-pitch motions of a spar platform considering 1st-order and 2nd-order wave loads

In this study, we consider first- and second-order random wave loads and the effects of time-varying displacement volume and transient wave elevation to establish motion equations of the Spar platform’s coupled heave-pitch. We generated random wave loads based on frequency-domain wave load transfer functions and the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) wave spectrum, designed program codes to solve the motion equations, and then simulated the coupled heave-pitch motion responses of the platform in the time domain. We then calculated and compared the motion responses in different sea conditions and separately investigated the effects of second-order random wave loads and transient wave elevation. The results show that the coupled heave-pitch motion responses of the platform are primarily dominated by wave height and the characteristic wave period, the latter of which has a greater impact. Second-order mean wave loads mainly affect the average heave value. The platform’s pitch increases after the second-order low frequency wave loads are taken into account. The platform’s heave is underestimated if the transient wave elevation term in the motion equations is neglected.     

Investigation of heave response of the deepwater octagonal FDPSO using various heave plate configurations

Heave plates can be employed to control undesirable heave motion amplitudes of the deepwater octagonal Floating, Drilling, Production, Storage, and Offloading (FDPSO) platform. Numerical simulations and model tests were applied to analyze and investigate the hydrodynamic response and the feasibility of the heave plate configurations. The diameter and the depth below the free surface of a single-layer heave plate, as well as the spacing of two-layer heave plates, were considered as the primary variables when studying the effect of heave plates on FDPSO hydrodynamics. The analysis results indicate that the heave plate diameter significantly affects the heave hydrodynamics, and heave performance could be improved with an increased diameter. In addition, increasing the depth below the free surface of a single-layer heave plate does not effectively suppress the heave motion within the range of draft depths tested. The target FDPSO obtained better heave characteristics with increased spacing between the two-layer heave plates. Furthermore, the global performances of the octagonal FDPSO with these typical heave plate configurations were comparatively analyzed. The results indicate that from a hydrodynamic point of view, the single-layer heave plate configuration has an advantage over the two-layer heave plate configuration.     

深水Spar平台在不规则波中的运动响应

南海水深一般在500m到2000m,属于深水区,Spar平台的适用水深为500m到3000m,是深水开发的经济型平台.对系泊于2000m水深的Classic spar平台在不规则波作用下的运动响应和缆索张力进行了数值模拟.首先通过频域方法得到Spar平台的波浪作用力传递函数、附加质量和辐射阻尼,然后通过快速傅立叶变换将频域结果转换到时域;基于全量的拉格朗日表述和两节点的等参索单元,应用几何非线性有限元方法和Newmark方法计算系泊缆索张力;应用四阶龙哥库塔法计算时域运动方程,得到Spar平台的运动响应和缆索张力.采用JONSWAP波能谱生成不规则波面,考虑了谱峰升高因子不同取值的影响,分析了二阶漂移力、不同缆索初张力和缆索刚度对于系泊系统的影响.     

深水悬链复合锚泊线疲劳损伤计算

以某座Spar平台的锚泊系统为研究对象,首先利用三维绕射理论计算Spar平台主体波浪力,得到平台的总体运动响应时程。再建立复合锚泊线的二维非线性有限元动力分析模型,基于DelVecchio(1992)提出的经验公式,采用迭代的方法计算复合锚泊线的刚度。锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,基于Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载,根据计算得到的平台主体运动响应时程作为锚泊线顶端输入条件,在时域范围内进行复合锚泊线的动力分析。计算得到中国南海某海域各短期海况条件下复合锚泊线应力的时间历程曲线,采用雨流法对其计数得到对应于各短期海况条件下的疲劳载荷谱。最后根据Miner线性累积损伤模型,对复合锚泊线在长期海况条件下的疲劳损伤进行比较计算。     

复合缆索锚泊下的Spar平台动态响应分析

利用复合索链的计算公式,计算不同配置的复合链组成的锚泊系统的变刚度,并将计算结果运用于Spar平台运动方程中刚度矩阵的修正,分析并比较在不同锚泊系统作用下,Spar平台的动态响应行为。通过计算发现:虽然不同配置的复合缆索对平台的动态响应没有多大影响,但是缆索张力的变化确实截然不同。这些在平台锚泊系统的初步设计中必须考虑。     

桁架式Spar平台在波浪中的运动预报与实验测量

基于细长体水动力公式和刚体全非线性运动方程,以及桁架式Spar平台主体与其锚泊系统相互耦合的力和位移边界条件,建立了桁架式Spar平台在波浪中的运动响应预报模型,对其在波浪中的运动和锚泊力进行了预报。通过运动光学测量系统和拉力传感器在哈尔滨工程大学水池对Spar平台模型在波浪中的运动和锚泊力进行了测量。数值预报结果和实验测量进行了比较,结果表明二者符合得很好。     

Truss Spar结构浮式风机基础总体强度分析

海上浮式风机基础目前有半潜式,重力式,导管架式,Spar式很多种。目前国内对于桁架式浮式风机基础的结构分析比较少。本文采用Truss spar型海上浮式风机基础,基于三维势流理论和直接计算法,对其在深海环境中进行结构强度分析。分析表明,结构在垂荡板和桁架结构连接处容易发生较大应力集中,易产生破坏,在后续的设计修改中可对这一部位进行重点研究。