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原文传递深水钻井船水动力性能研究

论文题名：	深水钻井船水动力性能研究
关键词：	海洋开发;深水钻井船;波浪冲击;流体力学
摘要：	随着海洋油气开发逐步走向深水,对于深海油气钻探系统的研究已经成为热点问题。与其他海洋平台相比,钻井船具有机动性能好,可变载荷大,自持能力强等优点,适合在全球范围内不同海域连续作业,在深海油气开发中得到了广泛地应用。又由于钻井船受风浪影响较大,为了提高开工效率,对其进行深入的水动力性能研究十分必要。本文采用理论研究、模型试验和数值模拟相结合的方法,对一艘最新设计的深水钻井船的总体水动力性能及其月池内的流体运动进行深入系统的研究。其中模型试验在上海交通大学深水试验池完成,缩尺比为1:50;数值计算方法包括三维势流理论数值计算和CFD数值模拟。　　本文采用三维势流理论对其进行频域分析,得到了运动响应幅值算子(RAO)、平均波浪漂移力,以及垂向运动的短期预报,数值计算结果与模型试验吻合较好。钻井船垂荡RAO在7.6s左右出现峰值,是受到了月池内流体活塞运动的影响;纵摇RAO在180度浪向角下的峰值周期大约为12秒,偏离了纵摇固有周期,是受到了月池内流体晃荡运动的影响。平均波浪漂移力主要集中在5秒至14秒。然后采用频域转时域的方法,对深水钻井船进行了时域数值分析,得到了不同海洋环境条件下的运动性能,时域分析结果与模型试验结果有一定的差异,但在允许范围内。垂荡运动响应在迎浪状态下较小,横浪状态下较大,并且在受到风和流作用时会略微增大;纵摇运动对于浪向角和风流载荷不很敏感;横摇运动在斜浪状态小于横浪状态,且在受到风流作用时会增加平均横倾,但运动幅值有所减小。对于月池内的流体运动,采用CFD数值模拟进行研究。首先建立了基于NS方程和VOF法的数值波浪水池,实现了钻井船与波浪的耦合运动,然后分别分析了方形与长形月池内的流场特征。其中,方形月池内的流体以垂向运动为主,即发生活塞运动,它会在共振状态下受到月池本身的激励而放大,并会增加船体的垂荡运动幅值,另外,船体运动也会加剧月池内的流体运动。长形月池内流体运动既有垂向运动,又有水平运动,目标钻井船月池后端的台阶结构会导致较大的波面升高幅值,月池活塞振荡的固有周期为7.6秒,流体强烈的垂向运动导致了船体垂荡运动RAO的一个峰值,月池晃荡的固有周期在12秒左右,流体强烈的晃荡运动导致了船体在180度浪向角下的纵摇运动RAO的峰值偏离了其固有周期。通过与模型试验结果和势流方法计算结果的对比,验证了CFD模拟的准确性、可靠性以及必要性。另外,本文还通过模型试验方法,对不规则波作用下月池内波面升高进行分析,发现格栅式阻尼板可以有效地减小月池内波面升高。综上所述,本文对深水钻井船总体水动力性能及其月池内的流体运动展开了系统深入的研究,并得到了很多有意义的结论,为我国掌握深水钻井船关键技术提供理论依据和技术支持。
作者：	孙采微
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	杨建民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文