基于数值模拟的半潜式钻井平台附加质量研究  

作者:陈博;喻志勇;李骁健 刊名:《船舶力学》 上传者:王荣荣

【摘要】为了较为完整地明确计算钻井平台影响附加质量的因素,以及附加质量之间的关系,文章主要基于数值模拟计算的方法,通过水动力分析软件A Q W A 求解平台3 6 个附加质量分量,通过与数学模型计算对比分析得到相应的结果.从A Q W A 分析得到的视图中可知,平台的附加质量分量随波浪频率的变化而变化; 在横荡方向的附加质量由小到大依次为型一、型二、型三平台,与平台在xoz平面内的面积投影大小关系对应,而纵荡方向附加质量基本与平台在yoz平面内的面积投影大小关系对应; 通过公式计算的附加质量分量与数值模拟的独立附加质量分量数髙度一致.得到平台的附加质量大小与波浪的频率有关; 平台在坐标平面上的投影面积大小能在一定程度上反应出附加质量的大小; 3 6 个附加质量分量中有2 1 个是独立的.

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0引言半潜式钻井平台是现今进行海洋油气开采的重要设备,它具有作业水深大,可承受较大的可变载荷,甲板面积大,钻采能力强,移动灵活,钻井深,工作效率高等优点[1-3],正因为它具有这些其它类型钻井设备没有的优势,使其成为现今研究、投入最大的钻井平台之一。在海洋环境中平台很容易受到风、浪、流的载荷而运动,这种运动对正常作业的平台来说是不利的,在平台的设计全生命周期中都需要从减小平台的摇荡运动出发。半潜式钻井平台在海洋环境中受到波浪的作用而产生强迫简谐运动,由于波浪是随机的所以平台的运动是无规律的,波浪包括了入射波、辐射波和绕射波,这些无规律的波浪作用在平台的表面,使平台表面受到动压力的作用,而使平台产生附加质量。半潜式平台的水动力性能分析的基础理论主要是三维势流理,包括了入射波的入射势、辐射波的辐射势和绕射波的绕射势[4]。有关附加质量的描述最早见于1786年杜布阿特[5]的《水力学原理》,他将圆球置于水中做阻力实验,发现流体的密度对圆球所受到阻力的大小有影响,好似球的质量变大了。20世纪30年代刘易斯[6]在依据实验基础上,得到了依靠图谱的附加水质量计算公式,该公式成为了后来研究附加质量的重要指导,有些思量一直沿用至今。Esmailzadeh[7]结合数值解和理论解,研究了薄板在无粘不可压缩流体中的动态特性,转化得到了虚拟化的流体附加质量矩阵。朱仁传等人[8]对船舶振动的附加质量进行数值模拟及分析,分析结果为船舶运动的预报提供了指导意见。He等人[9]采用数学模型的方法,对船舶进行分段的附加质量动态研究,根据流体动力学作控制方程,通过使用格林函数导出了附加质量公式。半潜式钻井平台的附加质量计算公式研究得较多,但是对附加质量六自由度上的36个附加质量关系以及频率与附加质量的关系研究得较少,对这些关系的研究对平台的选型和早期的运动响应预报具有重要意义。文章首先介绍了求解半潜式钻井平台附加质量的理论基础,即波浪入射势、辐射势、绕射势到求解平台的附加质量;然后采用ANSYS建立三种平台的三维湿表面模型,用AQWA软件进行数值模拟得到六自由度上不同构型平台的附加质量对比图;然后统计、分析了型一平台在六自由度上共36组附加质量数据;最后论证、分析了波浪频率、平台在基本面投影对平台附加质量的影响,以及36组附加质量分量之间的关系。1理论基础海洋中钻井平台受到周围波浪的反作用力,称为附加惯性力,它的方向和平台的加速度方向相反;平台加速运动时,附加惯性力起阻力作用,平台减速时它起动力作用。质量为m平台要获得加速度为a,施加在平台上的波浪力F将要大于ma,可写成:F=m+,,a圯F-a=ma,则称为平台的附加质量。三维势流理论是分析船舶及钻井平台在波浪载荷作用重要的基础理论,其中为了便于求解计算,势流理论提出了以下五点假设,势流理论的分析、计算都是在这些基础上进行。基本假设[10]:(1)海水为理想液体不可压缩;(2)海水的运动无旋即为存在流体速度势x,,y,z,t,;(3)海水的表面张应力忽略不计;(4)海水无粘性;(5)海洋平台的运动和波浪自由表面的运动都是微幅的。1.1平台运动分析中采用的坐标系全球坐标系(空间固定坐标系)o-xyz,这套坐标系的位置不随平台的运动而变化,是平台运动的参考坐标,原点o位于未扰动的水平面,z轴竖直向上。图1平台坐标关系Fig.1Relationofplatformcoordinate随机坐标(平台上固定坐标系)o-xyz,该坐标系随平台的运动而做同步运动。坐标的原点o位于平台的重心,x轴平行于平台基线并指向船首,y轴垂直于x轴指向平台

参考文献

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