發(fā)布時(shí)間：2018-01-15 05:00

  本文關(guān)鍵詞：深海平臺(tái)大幅慢漂運(yùn)動(dòng)的兩次展開(kāi)求解方法　出處：《大連理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：浮式海洋平臺(tái)(Spar,TLP,FPSO)在海上作業(yè)過(guò)程中會(huì)經(jīng)受隨機(jī)波浪、風(fēng)和水流等荷載的聯(lián)合作用。特別在不規(guī)則波浪下,各個(gè)頻率的波浪成分相互作用后會(huì)產(chǎn)生差頻以及和頻的高階波浪成分,其中波浪差頻往往會(huì)接近海洋平臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)模態(tài)的自振頻率,從而引起結(jié)構(gòu)的大幅低頻運(yùn)動(dòng),這種大幅低頻運(yùn)動(dòng)會(huì)減少甚至終止有效鉆井作業(yè);而高頻項(xiàng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)高頻垂向振動(dòng)響應(yīng),進(jìn)而引起系泊纜索結(jié)構(gòu)以及采油立管結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題。基于上述背景,本文在勢(shì)流理論的框架下建立了全時(shí)域的波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的兩次展開(kāi)數(shù)值模型。本文以二維、三維拉普拉斯方程為基本控制方程建立了二階時(shí)域波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的兩次展開(kāi)二維、三維數(shù)值模型。物體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)被分解為低頻振蕩和高頻振蕩兩部分,其中低頻振蕩部分的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著計(jì)算的進(jìn)行實(shí)時(shí)得到,稱之為低頻平均位置,隨后,物面邊界條件和自由水面邊界條件在低頻平均位置和和靜水面進(jìn)行泰勒展開(kāi),物面網(wǎng)格和自由水面網(wǎng)格也隨著低頻平均位置時(shí)時(shí)平移,此時(shí)采用攝動(dòng)展開(kāi)分離級(jí)數(shù)的方法建立相應(yīng)的一階、二階邊值問(wèn)題,從而保證了這個(gè)攝動(dòng)展開(kāi)的參數(shù)滿足的小振幅的基本假設(shè)。速度勢(shì)分解為入射勢(shì)、散射勢(shì)以及定常擾動(dòng)速度勢(shì),其中散射勢(shì)和定常擾動(dòng)速度勢(shì)通過(guò)格林第二定理建立相應(yīng)的積分方程求得。隨后推導(dǎo)了波浪力的計(jì)算公式,建立了物體的運(yùn)動(dòng)方程。求解出物體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)之后,利用小波變換方法再次展開(kāi)求出運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的低頻平均位置,作為下一時(shí)刻泰勒展開(kāi)和攝動(dòng)展開(kāi)的平均位置,再進(jìn)行攝動(dòng)展開(kāi)和泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),周而復(fù)始,直到計(jì)算時(shí)間滿足要求。從而實(shí)現(xiàn)時(shí)域內(nèi)結(jié)構(gòu)物大幅慢漂運(yùn)動(dòng)的求解。為了驗(yàn)證兩次展開(kāi)數(shù)值模型,本文首先驗(yàn)證了平均位置模擬方法的正確性。通過(guò)與其他模擬方法的比較,建議采用基于小波變換的濾波方法來(lái)求解平均位置,而且通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),只要選取了恰當(dāng)?shù)男〔ǔ叨?即使使用不同的小波基函數(shù),我們都可以獲得任意時(shí)間序列的平均位置。然后分別通過(guò)計(jì)算了二維浮體慢漂運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、三維直立圓柱勻速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的波浪力和三維漂浮方箱慢漂運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證本模型,通過(guò)與其他學(xué)者解析方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及完全非線性方法的對(duì)比,證明了本模型在大幅慢漂運(yùn)動(dòng)中的計(jì)算結(jié)果是正確的。接下來(lái)分別采用兩次展開(kāi)方法和基于初始平衡位置的攝動(dòng)展開(kāi)方法計(jì)算了簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)物在單向波浪中發(fā)生大幅運(yùn)動(dòng)時(shí)的波浪力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng),兩種方法的計(jì)算結(jié)果相比有較大區(qū)別,證明兩次展開(kāi)方法的正確性。在計(jì)算單色波浪中圓柱的大幅強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)時(shí),此時(shí)入射波浪與結(jié)構(gòu)物之間的遭遇頻率會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致波浪力的幅值和相位也發(fā)生變化,這些變化在兩次展開(kāi)方法得到的計(jì)算結(jié)果中均有明顯體現(xiàn),而在直接展開(kāi)方法的計(jì)算結(jié)果中卻無(wú)法獲得。接著計(jì)算雙色波與線剛度約束下截?cái)鄨A柱的耦合作用,比較了兩種方法計(jì)算產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),分別研究了雙色波波幅差和角頻率對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)采用兩次展開(kāi)方法得到的計(jì)算結(jié)果與采用直接展開(kāi)方法得到的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有較大區(qū)別,并進(jìn)行了相應(yīng)的解釋,證明了兩次展開(kāi)方法更能反映結(jié)構(gòu)物在大幅慢漂時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征,更有實(shí)際意義。本文最后一部分介紹了兩次展開(kāi)方法數(shù)值模型在實(shí)際海洋平臺(tái)中的應(yīng)用,分別計(jì)算了雙色波與Spar平臺(tái)的耦合作用以及風(fēng)和不規(guī)則波與半潛平臺(tái)的耦合作用。計(jì)算結(jié)果包括了平臺(tái)受到的波浪力、平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊纜索頂端張力以及波面三維等值線圖等。通過(guò)研究雙色波浪與Spar平臺(tái)的耦合作用,發(fā)現(xiàn)由于波浪漂移阻尼的影響,海洋平臺(tái)大幅慢漂運(yùn)動(dòng)時(shí)自振頻率向低頻運(yùn)動(dòng)偏移,而這種現(xiàn)象在直接展開(kāi)方法的結(jié)果中無(wú)法體現(xiàn),從而說(shuō)明采用直接展開(kāi)方法計(jì)算大幅慢漂運(yùn)動(dòng)是不準(zhǔn)確的;最后通過(guò)研究風(fēng)和不規(guī)則波與海洋石油981半潛平臺(tái)的耦合作用,對(duì)海洋平臺(tái)小幅運(yùn)動(dòng)與大幅運(yùn)動(dòng)時(shí)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,證明了在大幅運(yùn)動(dòng)時(shí),兩次展開(kāi)方法得到的結(jié)果更加可靠,并據(jù)此針對(duì)半潛平臺(tái)在實(shí)際海浪中的布置給出了建議。
[Abstract]:Floating platforms (Spar, TLP, FPSO) in the offshore operation process will be subjected to random wave, the combined effects of wind and current loads. Especially in irregular waves, high order wave component of each frequency wave component interaction will produce difference frequency and frequency, the wave frequency difference frequency often close to the ocean platform in different movement modes, thus causing a low frequency motion structure, such a low frequency motion can be reduced or even termination of drilling operations; and a high frequency can cause high frequency vertical vibration response, and cause fatigue problem of mooring cable structure and oil riser structure. Based on the above background, in the framework of this article the potential flow theory was established under the two expansion numerical model of wave diffraction and full time domain interaction. In this paper, two-dimensional, three-dimensional Laplasse equation to establish order two The two launched a two-dimensional time-domain wave structure interaction, a three-dimensional numerical model. The motion response is decomposed into two parts of low frequency oscillation and high frequency oscillation, the low frequency oscillation part of the motion response calculation with real time, called the low average position, then the boundary condition and the free surface boundary condition in the low average position and static water Taylor expansion, surface mesh and free surface grid with low average position from time to time shift, the perturbation method of dynamic expansion separation series to establish the first order corresponding to the two order boundary value problem, so as to ensure the basic assumption of small amplitude parameters to meet the perturbation of the. The velocity potential decomposition for incident potential, scattering potential and stationary disturbance velocity potential, the scattering potential and the constant disturbance velocity potential to establish the corresponding integral Fang Chengqiu Green second theorem Then the calculation formula. The wave force is established, equations of motion objects. After solving the motion response, using wavelet transform method to start again for low frequency average position of motion response, as the next time Taylor expansion and perturbation of the average position, then the perturbation and Taylor series expansion. Again and again, until the calculation time to meet the requirements. So as to realize the time domain structure a slow drift motion is solved. In order to verify the two expansion of the numerical model, this paper verifies the correctness of the simulation method of average position. By comparison with other simulation methods, proposed to solve the average filtering method based on wavelet transform, and by the calculation can be found, as long as the selected wavelet scale is appropriate, even using different wavelet functions, we can get the time series average position Then through the calculation of two-dimensional floating body slow motion response drift, to validate the model response of wave force by 3D uniform forward movement of the vertical cylinder and three-dimensional floating box of slow drift motion, and other scholars through analytic method, comparison of experimental data and non linear method, proved this model in the calculation of a slow drift motion in the result is correct. Then using the two expansion method and based on the initial equilibrium position of the perturbation response dynamic expansion method simple structure calculation of large movements occurred in the one-way wave force and motion, the results of the two methods compared with different correctness proof the two expansion method. In a forced motion in wave calculation of cylindrical monochromatic, encounter frequency between this incident wave and structures will always change, resulting in The amplitude and phase of wave force changes, these changes are in the calculation results obtained in the two expansion method is evident, but not in the results of direct expansion methods. Then calculate the coupling effect of the truncated cylinder bichromatic wave and line stiffness under the constraint of response compares two methods of calculation the effect of exercise, double color difference wave amplitude and angular frequency of motion response are studied. The calculation results of two expansion obtained by direct expansion method and the motion response is quite different, and the corresponding explanation, proved the two expansion method can reflect the structure of the motion feature a slow drift of more practical significance. The last part of this paper introduces the application of the two expansion method in practical numerical model of offshore platform, Spar platform and bichromatic wave coupling were calculated. Cooperation and irregular waves and wind and semi submersible platform coupling effect. The results including the wave force by the platform, the platform motion response and mooring line tension at the top and three-dimensional wavefront contour map. By coupling of bichromatic waves and Spar platform, found that due to the impact of the wave drift damping of the ocean a slow drift motion platform vibration frequency to the low frequency motion deviation, and this phenomenon in direct expansion method can not reflect the results, so that the calculation by direct expansion method a slow drift movement is not accurate; finally, through the research of irregular waves and wind and ocean petroleum 981 semi submersible platform coupling calculation the offshore platform slightly movement and large amplitude motion and the results of the two methods were compared, proved in a campaign, two expansion method get more reliable results, and according to the needle The layout of the semi submersible platform in the actual sea waves is given.

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P751

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本文編號(hào)：1426852