基于CFD方法研究月池内部流体对Spar平台垂荡运动的影响

文章采用CFD方法研究了Spar平台月池内部流体对平台垂荡运动的影响.建立了二维和三维的数值水池,并获得了稳定的规则波.针对月池的不对开口率计算了Spar平台的垂荡阻尼系数,分析了月池内部流体的运动特性,并研究了开口率对平台垂荡运动的影响.研究表明,半封闭月池时Spar平台的垂荡阻尼有所增大,月池的开口率影响月池内部流体的运动以及平台垂荡运动的RAOs.在实际中,对月池开口率的优化设计可以适当地降低Spar平台的垂荡运动.     

船体垂荡运动及环境波高对月池内流体的影响

针对环境波高和船体垂荡运动对月池内流体运动的影响,本文采用CFD与模型试验相结合的方法,以某含月池的深拖母船为研究对象,数值模拟在不同幅值规则波激励下月池内流体自由液面爬升,结果显示,波浪幅值线性增加时,月池内流体液面增加呈非线性。分析船体在波浪中的垂荡运动和船体静水中做不同频率的垂荡简谐运动时月池内流体运动,结果显示船体垂荡运动存在明显双峰特性,且在船体垂荡运动频率为月池内流体共振频率时,月池内流体液面爬升最明显。     

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。     

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.     

波激和涡激Spar平台在垂荡主共振时垂荡、横摇和纵摇内共振响应（英文）

The objective of this paper is to study the nonlinear coupling internal resonance of the heave, roll, and pitch response performance of a spar platform when their frequencies are in the ratio of 2:1:1 under wave and vortex exciting loads.The three degree-of-freedom(DOF) nonlinear coupled equations are established by considering a time-varying wet surface with a first-order wave force in heave and pitch and a vortex-induced force in roll. The first-order steady-state response is solved using the multi-scale method in heave main resonance. The multiple solutions of the motion equations are discussed using the analytic method and a numerical simulation. A sensitivity analysis is conducted to test the influence of the damping and internal detuning parameter. The regions of multiple solutions are found, and the jump phenomenon exists with the changes of the wave excitation. The regions of multiple solutions depend on the values of damping and detuning parameter.     

基于小波分析的Spar平台阻尼系数研究（英文）

连续小波分析方法作为典型的时频方法虽已广泛应用于工程界,但在海洋工程领域并未得到大力推广。文章应用连续小波分析方法对海洋工程领域中与Truss Spar平台涡激运动相关的阻尼系数进行求解。通过构建测试信号对这一方法进行数值检验,验证了小波分析方法的可靠性和准确性。利用试验数据,成功将小波分析方法应用于求解Truss Spar平台阻尼系数问题中。结果表明小波分析方法具有较好的可靠性,能够准确求解平台的阻尼系数。     

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.     

具有垂荡板的Spar平台流体力学特性的数值模拟研究

  目的  为提高第2代深水Spar平台的水动力性能,对其桁架结构进行方案设计与优化研究。  方法  首先,基于三维势流理论研究垂荡板的运动方程,通过莫里森公式对桁架部分进行水动力计算,并结合工程经验提出桁架结构（含垂荡板）的初始设计方案;然后,对Spar平台的垂荡板及桁架结构进行数值计算,针对不同参数下的桁架结构进行时域及频域分析,探究平台垂荡板的数量、厚度、间距和桁架横截面积、斜桁架数量对Spar平台水动力性能的影响,以进一步优化设计方案。  结果  研究结果表明：确定垂荡板数量需综合考虑Spar平台各自由度的运动;垂荡板厚度越薄,平台水动力性能越好;垂荡板间距应为提升平台垂荡和纵摇性能效率最高的值;桁架横截面积对平台的运动响应影响较大,斜桁架数量影响相对较小。  结论  研究结果可为深、远海油气钻井平台设计提供有益的指导。     

非对称系泊系统布置下Spar平台运动响应分析（英文）

对大陆坡上的油气资源开采时,浮式平台所处位置处的海底地形可能出现较大坡度,需布置非对称的系泊系统。文章基于一个Spar平台,针对平台两侧系泊系统锚固点所处地形变化而造成水深不同的情况,优化设计一套非对称的系泊系统,且非对称系泊系统的水平刚度较大。在时域范围内建立耦合数值模型对平台的运动响应和系泊系统动力特性进行研究和分析。文中研究表明,采用非对称系泊系统的平台在纵荡、横荡和纵摇方向上的响应幅值和系泊张力均符合工程要求,且能改善平台运动性能。     

张力腿平台垂向响应纵摇运动研究（英文）

Tendons vertically moor Tension-Leg Platforms(TLPs), thus, a deep understanding of physical tendon stresses requires the determination of the total axial deformation of the tendons, which is a combination of the heave, pitch, and surging responses. The vertical motion of the lateral sides of the TLP is coupled with surge and constitutes a portion of the pitch motion. Tendons are connected to the sides of the TLP; hence, the total displacement of the lateral sides is related to the total deformation of the tendons and the total axial stress. Therefore, investigating the total vertical response at the sides of the TLP is essential. The coupling between various degrees of freedom is not considered in the Response Amplitude Operator(RAO). Therefore, in frequency domain analysis, the estimated vertical RAO is incomplete. Also, in the time domain, only the heave motion at the center of TLP is typically studied; this problem needs to be addressed. In this paper, we investigate the portion of the pitch motion in the vertical response at the sides of the TLP in both the frequency and time domains. Numerical results demonstrate a significant effect of the pitch motion in the vertical motion of the edges of the TLP in some period ranges.     

TLP平台垂荡运动对立管疲劳寿命的影响

针对海洋平台与立管接头的非线性特征,就TLP平台的一阶与二阶垂荡运动及其对立管上端点耦合产生位移,在考虑平均应力影响的基础上,基于DNV,ABS与UK等船级社规范提供的S-N曲线,讨论立管的疲劳问题.采用Goodman模型与Gerber模型进行有效循环应力分析与对比.从4种非线性接头对于立管上端点的动应力影响来看,接头节点的非线性特征,对立管应力影响较大.考虑平均应力影响,从2个模型(Goodman和Gerber)的比较来看,Goodman模型考虑平均应力影响相对保守;从平台的一阶、二阶垂荡对立管上端点的影响来看,一阶垂荡过程中,最大应力点在触地点,二阶垂荡最大应力点为立管上端点;从疲劳损失程度来看,二阶垂荡运动对疲劳寿命影响较大;从3个船级社的S-N曲线来看,DNV的S-N曲线偏于保守,ABS的其次,UK的S-N曲线得出的疲劳寿命最长.     

月池纵荡和垂荡两种运动模态的数值模拟及验证

利用Fluent软件对矩形月池结构在有/无直墙条件下的强迫振荡运动进行了数值模拟,并将纵荡和垂荡两种模态下不同开口宽度的数值计算结果与解析结果进行了比较。在有/无直墙情况下,当月池作纵荡运动时,无论是数值解还是解析解都表明开口宽度对水动力系数的影响很小;在作垂荡运动时,数值解和解析解都表明底部开口宽度对垂荡运动引起的水动力系数有显著的影响。当不同开口宽度的矩形月池结构在有/无直墙条件下作纵荡或垂荡运动时,数值解和解析解得到的水动力系数随频率变化的趋势一致,但是极值的大小存在差别,数值解极值的绝对值比解析解要小。     

一种新型立柱式平台(Spar)的垂荡板设计

SPAR平台大多需要满足干式井口作业要求,对平台的垂荡性能要求较高。为降低平台的垂荡运动响应,通常在SPAR平台的桁架段设置垂荡板以增加垂荡阻尼和附加质量。以某新型立柱式平台(SPAR)为研究对象,对不同间距设置和型式的垂荡板进行性能分析,确定了平台的垂荡板的最终设计方案。     

考虑一阶和二阶力spar平台垂荡-纵摇非线性耦合运动时域分析（英文）

In this study, the coupled heave-pitch motion equations of a spar platform were established by considering 1st-order and 2nd-order random wave loads and the effects of time-varying displacement volume and transient wave elevation. 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 2nd-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. 2nd-order mean wave loads mainly affect the average heave value. The platform's pitch increases after the 2nd-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.     

抑制半潜式平台垂荡响应的方法研究

对抑制半潜式平台垂荡响应提出了两种解决方案。在没有系缆力作用的情况下,借助于吃水深度对垂荡响应幅值影响的理论研究,利用SESAM/HydroD软件进行数值计算,得到吃水深度增加对平台垂荡幅值的抑制规律。在有系缆力作用的情况下,考虑采用配置质量块的方法降低平台垂荡响应。用SESAM/DeepC软件进行时域分析,得到质量块抑制平台垂荡的规律。结果表明,两种方法对垂荡响应均有比较有效的抑制作用。     

新型导管架复合式深吃水半潜平台概念导管架对平台整体垂荡、横摇和纵摇运动的影响分析（英文）

导管架复合式深吃水半潜平台是近年来为了适应南海恶劣海况而提出来的新型干树半潜平台概念,主要由传统的深吃水半潜平台和导管架两部分组成。导管架的设计主要是为了支撑上层甲板结构,提高平台稳性和气隙性能。文章主要针对该平台概念的垂直平面运动进行分析,对不同海况下平台系统的数值和模型试验的结果进行了对比分析,运用频域分析方法分析了该平台与传统半潜平台之间的区别。并重点分析了导管架部分对平台垂直平面内的运动造成的影响。结果表明,该平台概念较传统的半潜平台而言具有较好的垂向运动性能,而且导管架部分对平台垂直面内的运动影响较小,导管架设计的主要优势并未受到较大的折减。     

Trussspar平台垂荡一纵摇耦合运动数值模拟研究

采用SESAM软件建立平台模型进行数值模拟,得出平台在规则波浪中附加质量系数、阻尼系数和波浪力,建立平台垂荡-纵摇耦合方程,采用龙格库塔法求解该非线性方程,借助于Matlab软件编制计算程序,建立了垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法.针对Spar平台垂荡-纵摇耦合运动响应问题,与SESAM软件中的算法相比,本研究建立的垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法更接近实际情况.     

剪切流中Cell-Truss Spar平台涡激运动的CFD计算与模型试验研究

目前,Spar平台在离岸深水作业中得到越来越广泛的应用,作为影响spar平台在某些来流条件下运动响应特性的一种重要现象,涡激运动已成为国际海洋工程界亟待研究的一个新课题.本文采用CFD计算与模型试验相结合的方法,对一座称为"Cell-Truss Spar"的新型Spar平台在剪切流作用下发生涡激运动的现象进行了研究.相对于目前已存在并应用的Spar平台,Cell-Truss Spar平台在结构形式上有其自身的特征,研究中充分考虑了这一特征,对其建立适当的CFD计算模型,得到其涡激运动的特征,模拟了锁定现象的发生过程,分析了锁定现象的发生机理和规律;同时制作了精细的物理模型,测试了一系列的剪切流表面流速,得到了Cell-Truss Spar平台涡激运动的一些关键性参数,并成功地观察到了锁定现象的发生.CFD计算与模型试验相互比较,相互验证,最后对该平台涡激运动响应的特征进行了分析和总结,为进一步的涡激运动抑制研究奠定了基础.     

基于CFD的36英尺水翼双体船阻力与运动预报（英文）

近年来,兼具双体船和水翼船优点的水翼双体船迅速发展。本文通过对一艘36英尺的水翼双体船的实船试验和CFD仿真,得出最佳的双体船水翼配置形式。本文的CFD仿真主要针对迎波状态下阻力和运动,通过STAR-CCM+进行仿真,结果显示:在相同航速下,相比没有安装水翼的双体船,安装了水翼的总阻力减小量高达26%;同时,在相同的海况下,安装水翼可以将航速提高7 kn,速度提高了21%。同时也得到了最佳的水翼配置:艉部攻角-0.2°、艏部攻角1°,在该配置下最大航速40 kn时的最低总阻力为628 kN。仿真计算结果与实船试验非常接近,表明本文所提的水翼双体船阻力和运动预报计算方法是合理可行的。     

非均匀表面上移动的冲翼艇的横摇-垂荡-纵摇运动建模（英文）

Ground-effect vehicles flying close to water or ground often employ ram wings which generate aerodynamic lift primarily on their lower surfaces. The subject of this paper is the 3-DOF modeling of roll, heave, and pitch motions of such a wing in the presence of surface waves and other ground non-uniformities. The potential-flow extreme-ground-effect theory is applied for calculating unsteady pressure distribution under the wing which defines instantaneous lift force and moments. Dynamic simulations of a selected ram wing configuration are carried out in the presence of surface waves of various headings and wavelengths,as well as for transient flights over a ground obstacle. The largest amplitudes of the vehicle motions are observed in beam waves when the periods of the encounter are long. Nonlinear effects are more pronounced for pitch angles than for roll and heave. The present method can be adapted for modeling of air-supported lifting surfaces on fast marine vehicles.