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原文传递浅水超大型FPSO动力响应研究

论文题名：	浅水超大型FPSO动力响应研究
关键词：	浅水超大型;浮式生产储油系统;运动响应;波浪诱导载荷;有限水深;模型试验
摘要：	浮式生产储油系统(FloatingProductionStorageandOffloadingunit-FPSO)是以生产储油船为基础，集生产系统和人员居住为一体的海洋大型生产基地。与固定式平台相比，FPSO具有建造周期短、投资少、资金回收快以及可重复使用等优点。近年来，FPSO在近海油气田开发中得到了越来越广泛的应用。由于FPSO要长期系泊于恶劣的海洋环境下作业，不能定期进坞检修，因此对其运动性能、结构强度和作业安全都有很高的要求。 FPSO在渤海浅水海域的已广泛应用，渤海湾的水深对FPSO运动与波浪载荷的影响问题日益突现出来。随着渤海油气田规模扩大，因此FPSO的储油量极其尺度也随之增加。本论文研究的对象是30万吨浅水超大型FPSO，海域的极限水深为25.75米，设计吃水为22.119米，水深吃水比(H/T)仅为1.164，其水动力特性与常规水深下的水动力特性有较大差异，因此研究不同水深下运动与波浪诱导载荷响应，已成为浅水超大型FPSO安全作业的关键问题。基于上述原因，本论文应用理论分析、数值计算和模型试验相结合的方法，对浅水超大型FPSO在不同水深下的动力特性进行了系统研究。本论文在三维水弹性理论的基础上，推导了有限水深复合格林函数及其偏导数的表达式，编制了计算有限水深复合格林函数及其偏导数的程序模块，首次在国内实现了有限水深复合格林函数的数值计算。国际上有关水深对浮式海洋结构物波浪诱导载荷响应机理的研究少甚少。本论文对浅水大型FPSO运动时的附连质量、阻尼系数以及波浪作用于船体表面的脉动压力进行了比较系统的研究，进一步揭示了水深对浅水超大型FPSO运动和波浪载荷影响的机理。为了验证本论文推导的数值计算方法的正确性，在国内又首次成功地进行了浅水超大型FPSO波浪诱导垂向载荷随水深变化规律的试验研究。试验获得了成功，试验结果与数值计算结果有较好的吻合。本论文的研究结果不仅为浅水超大型FPSO动力响应的试验研究积累了宝贵的数据，而且为理论研究提供了可靠的验证方法。主要研究工作与结论如下：1.系统阐述了适合于有限水深海况下的三维线性频域水弹性理论。结合有限水深入射波与复合格林函数的特性，用有限水深入射波和海底边界条件代替了无限水深入射波和海底边界条件，为有限水深海况海洋结构物的水弹性分析奠定了基础。 2.发展了有限水深复合格林函数数值计算方法。推导了有限水深复合格林函数偏导数的数值表达式；对复合格林函数及其偏导数中的奇异性进行了研究，并探求了一种消除奇异性的方法；编制了用于计算有限水深复合格林函数及其偏导数的程序模块，并将其根植于THAFTS(Wu,1984)程序中，拓展了THAFTS程序功能，使其适用于任何水深浮式海洋结构物的水弹性数值计算；为了提高数值计算精度和速度，采用了抛物线变步长积分和Bessel函数插值相结合的方法对格林函数表达式进行了数值计算。 3.在应用上述编制程序的基础上，系统研究了水深变化对浅水超大型FPSO的运动与波浪诱导载荷响应的影响；并在不同水深和不同浪向海况下，根据西北太平洋B1海区(即我国的渤海海区)的海况对其进行了长期预报。研究表明，随着水深的变浅，纵荡运动更加剧烈。波长船长比(λ/L)较小时，垂荡、纵摇和横摇运动响应幅度随水深的变浅而减小。纵荡运动的长期预报值随水深的变浅而加剧，迎浪时在浅水中纵荡运动幅值的预报值大约是深水海况的1.5倍；而纵摇、垂荡与横摇的预报值随水深的变浅而大大减缓，浪向角为90°时，深水海况的纵摇、垂荡与横摇运动幅值的预报值大约是浅水时的3倍、4倍和5倍；而当水深吃水比(H/T)超过3.0时，水深对运动响应预报值几乎没有影响。研究进一步表明：波浪诱导垂向载荷(包括波浪诱导垂向弯矩和剪力)随水深的变浅而增加，而且水越浅，波浪诱导垂向载荷的增加幅度也越大。波浪诱导垂向载荷的长期预报值随水深的变浅而增大，尤其是极浅水时，预报值增加得更为明显，斜浪时浅水海况的波浪诱导垂向载荷幅值的预报值为深水海况的2倍左右。同时，当H/T=3.0时，波浪诱导垂向载荷的预报值比深水时大8﹪左右；H/T＞5.0时，水深对波浪诱导垂向载荷的预报值几乎没有影响。因此，当H/T＞5.0时，浅水超大型FPSO的设计可以不必考虑水深变化对波浪诱导垂向载荷的影响。 4.研究了广义附加质量、广义附加阻尼与水深变化之间的关系，探讨了垂荡、纵摇与横摇随水深的变浅而减缓的机理。纵荡、横荡和首摇水平面运动模态，与垂荡、横摇和纵摇垂向运动模态，广义附加质量随水深的变化规律呈现较大差异。水平面运动模态的广义附加质量随水深变化规律不明显。只有在频率较低时，随着水深的变浅，水平面运动模态的广义附加质量才有明显的增加趋势。垂向运动模态的附加质量随水深变化显著。随着水深的变浅，垂向运动模态的附加质量在整个频率范围内均增大；尤其是在浅水时，增加得更为明显。所有6个运动模态的广义附加阻尼系数随水深的变化规律大致相同。总体上随着水深的减小，广义附加阻尼系数增大，频率较低时这种现象尤为明显，浅水深时的阻尼系数相比深水时有明显增加；在浅水条件下，垂荡、横摇和纵摇阻尼系数随H/T的变化较大，其它运动模态的阻尼系数变化则相对较小。因此，在同样条件作用下，在浅水深时由于广义附加质量和广义附加阻尼的增加，垂荡、横摇和纵摇运动幅度也必将较大地缓和。 5.研究了船体脉动压力与水深之间的关系，探讨了波浪垂向载荷随水深变浅而增加的机理。在特定波浪频率和浪向角海况下，随着水深的变浅，船底脉动压力增大；并且水深越浅，脉动压力增大得更为明显。因此，在同样的环境条件作用下，在浅水时由于船体脉动压力的较大增加，波浪诱导垂向载荷的幅值也必将较大地增加。 6.用三维水弹性理论研究了浅水超大型FPSO在规则波海域中水深变化对运动与波浪诱导载荷响应的影响，并对波浪诱导载荷进行了长期预报，探讨了浅水超大型FPSO弹性效应对波浪诱导载荷的影响。采用三维有限元模型计算了结构的干振型。弹性体假设下研究了水深对波浪诱导载荷响应的影响。6种水深下，低频时(即波长船长比比较大时)弹性体假设下的波浪诱导载荷比刚体假设下的波浪诱导载荷小；而高频时弹性体假设下的波浪诱导载荷比刚体假设下的波浪诱导载荷大。总体上，该算例的水弹性分析结果呈现出，水深越浅弹性效应对波浪诱导垂向载荷的影响越大。弹性体假设下的波浪诱导垂向载荷的长期预报值均小于刚体假设下的预报值；船体的弹性效应对波浪诱导垂向载荷的影响比较大，特别是浪向角为0°时，计及弹性效应时的波浪诱导垂向载荷降低将近13﹪；而当浪向角为90°时，弹性效应对波浪诱导垂向载荷的影响相对较小。7.为了验证数值计算方法的可行性，本论文依托上海交通大学海洋工程国家重点实验室在国内首次完成了浅水超大型FPSO水深对波浪诱导载荷影响的试验研究，获得了宝贵的试验数据和经验，可为浅水海洋结构物波浪诱导载荷的试验研究提供了借鉴。该试验模型缩尺比为1：100，在船舯处和距船艉1/4船长处将模型剖切为三个模块，三个模块用两根试验件相连。随着水深的变浅，纵荡运动加剧，垂荡、纵摇运动减缓；且浅水时(H/T=1.164且λ/L＞0.9)，试验结果与数值计算结果差别较大。随着水深的变浅，波浪诱导垂向弯矩与剪力幅值增大，而且水越浅波浪诱导垂向弯矩与剪力增大非常明显，在某些波频范围内浅水波浪诱导载荷响应幅值是深水条件下的3倍。
作者：	谢永和
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李润培;杨建民
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文