波浪水流耦合作用下半潜平台运动响应研究
摘 要摘 要 本章对海上半潜式平台的发展以及国内外发展现状进行概述，详细讲解了半潜式平台发展趋势，各个阶段半潜式平台的性能特点和设备配备。指出了半潜式平台发展目前所面临的挑战，以及未来的发展方向。运用时域方法在势流理论范围内建立了半潜式平台模型，并对模型进行网格划分，对不同工况下半潜式平台的水动力特性进行模拟分析。具体的研究工作包括：应用Gambit软件建立半潜式平台模型，并对模型进行网格划分，使用Tecplot软件对网格进行检验。对半潜式平台波浪荷载计算， 确定控制方程及边界条件，以及对边界条件经行摄动展开，利用积分方程对半潜式平台水动力特性进行计算。应用WVTDUT软件对水动力特性进行模拟。建立半潜式平台模型，模拟波浪、水流耦合作用对半潜式平台运动响应的影响，主要分析了在不同波数、入射角、水流参数下，半潜式平台的工况。对不同工况下水动力特性数据进行分析，得到平台最危险的工况。通过本论文研究可以为波、流耦合作用下半潜式平台建造工程实践提供参考。关键词：波流作用；时域方法；半潜式平台；水动力特性 目 录
第一章 绪论 5
1.1 研究背景 5
1.2 国内外海上半潜式平台研究现状 6
1.2.1 海上半潜式平台发展过程 6
1.2.2 世界半潜式平台发现状 7
1.2.3 国内半潜式平台研究现状 8
1.2.4 半潜式钻井平台发展面临的挑战 8
1.3 本文主要研究内容 9
第二章 波浪，水流耦合作用数值模型 10
2.1 波浪荷载计算 10
2.1.1 半潜式平台波浪荷载计算 10
2.1.2 控制方程及边界条件 10
2.2.3 边界条件的摄动展开 13
2.2.4 积分方程 14
2.2.5 半潜式平台水动力特性计算 16
2.3 小结 19
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 20
3.1 Gambit软件的介绍 20
3.1.1 Gambit几何造型 20
3.1.2网格的生成 21
3.2 使用Gambit软件建立半潜式平台的具体操作
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.2.4 积分方程 14
2.2.5 半潜式平台水动力特性计算 16
2.3 小结 19
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 20
3.1 Gambit软件的介绍 20
3.1.1 Gambit几何造型 20
3.1.2网格的生成 21
3.2 使用Gambit软件建立半潜式平台的具体操作步骤 22
3.3 网格划分 26
3.4 小结 31
第四章 WVTDUT软件在半潜式平台模型模拟中的应用 32
4.1 WVTDUT软件介绍 32
4.2 波数、入射角、水流参数工况设定 35
4.3 水动力参数设定 36
4.4 小结 37
第五章 半潜式平台水动力特性分析 38
5.1 半潜式平台在波浪、水流耦合作用下水动力特性比较 38
5.1.1 一阶力时间历程模拟结果分析 38
5.2 小结 48
结 论 50
致 谢 51
参考文献 52
第一章 绪论
1.1 研究背景
二十一世纪是社会高速发展的一个时期，然而推动这一发展的主要因素就是能源。海洋面积约占地球面积的七成，作为地球的主要构成部分，海洋是大自然馈赠给人类的一个巨型宝库。海洋富有丰富的海洋生物资源和水资源，以及蕴藏在海底的珍贵的矿产资源。这些矿产资源中包括石油和天然气。石油，天然气是人类工业发展能源结构中举足轻重的构成部分。我们对陆地油气开采已经有了百年的历史，到二十一世纪，陆地油气开采已经趋于成熟，陆地油气的储备量也日益减少。人们逐渐将目光投向油气储备丰富的海洋上去了。
作为海上油气开采的主要手段海上平台，也日益受到油气开发商的关注。工业的发展推动油气开采，人类对于海上平台的需求也是逐渐增加，渐渐的近海海域的开发已经趋于饱和，深海油气开发又成了吸引油气开发商的一大动力。然而普通水深的油气开发技术、设备、装备、工艺已经不能完全适用于深海油气开采，所以用于普通水深的传统平台，例如导管架平台和重力式平台已经不适应深海油气开采。
半潜式钻井平台是用于海洋深海勘探的国际主流装备。半潜式平台的发展对于深海油气勘探开采有着重要的意义。半潜式平台有着很多特有的优点，这些都是其他类型的平台所不具备的。半潜式平台的优点主要由，大范围的工作水深，有很好的可移性能，很大的甲板空间，抗波流影响能力强，对于风浪的影响能力也很好，很高的可变载荷。但同时半潜式平台也有一些缺点，由于半潜式平台是漂浮在水面工作的，平台仅仅依靠锚泊和定位来保持位置，因此风浪，水流对半潜式平台的影响较大。在水流载荷和风浪载荷下，平台受力结构相当复杂。半潜式平台在一般海洋环境下稳定性很强，然而半潜式平台往往处于深海，深海海域会出现一些恶劣的海洋环境，半潜式平台在这种强烈风浪，水流作用下发生事故的可能较高，一旦发生事故，其后果也是不堪设想,从半潜式平台投入使用至今，已经有过很多事故例子。1991年美国新泽西州Texas平台被暴风摧毁，造成28人死亡。1980年巴西名为Alexander L.Kielland的半潜式钻井平台整体倾覆，造成这一事故的原因是因为撑杆断裂，造成123人死亡。巴西的P36号半潜式平台是该国最大的海上钻井平台，也是世界上较的几架半潜式平台之一，于1991年建造完成，次年投入使用，2001年由于事故导致平台沉没。此次事故致使巴西海上石油事业发展推迟数年，重创了巴西经济。由于这些半潜式钻井平台事故具有较强的毁灭性，尤其对环境有重大的不良影响，对经济也会造成巨大的打击，所以全社会都开始重视与关注半潜式钻井平台的安全问题。人们开始越来越重视半潜式平台的结构强度。对于波浪载荷，风载荷研究，主要研究这些载荷对平台受力结构的影响，可以有效的，有方向的对半潜式平台的稳定性进行评估与调控。
1.2 国内外海上半潜式平台研究现状
1.2.1 海上半潜式平台发展过程
世界上第一座半潜式海洋平台建于1961年，至今已有50多年之久。在这期间，半潜式海洋平台共经历了6个发展阶段。在20世纪60年代中期开始，由座底式平台演变的海洋平台便是第一代半潜式钻井平台。该时期的半潜式平台一般采用锚泊系统定位，作业水深在90米到180米之间。第一代有代表性的半潜式平台有诞生于1961年的Occan Driller，、Rih NO.1半潜式平台，诞生于1966年的Scdco135半潜式平台。这些平台也都有着这个时期平台的缺陷，如平台结构不太合理，自动化程度较低的设备。
Bulford Dolphin,Occan Barones和Noble Martin是第二代半潜式平台几个代表，诞生于20世纪70年代，它们的工作水深一般在180米到600米之间。该时期半潜式平台以两种钻深能力为主，一是6096米钻深，另一是7620米。仍然采用锚泊定位，设备自动化较低。
第三代半潜式海洋平台诞生于1980年至1985年，代表平台有Atwood Falcon Atwo
第一章 绪论 5
1.1 研究背景 5
1.2 国内外海上半潜式平台研究现状 6
1.2.1 海上半潜式平台发展过程 6
1.2.2 世界半潜式平台发现状 7
1.2.3 国内半潜式平台研究现状 8
1.2.4 半潜式钻井平台发展面临的挑战 8
1.3 本文主要研究内容 9
第二章 波浪，水流耦合作用数值模型 10
2.1 波浪荷载计算 10
2.1.1 半潜式平台波浪荷载计算 10
2.1.2 控制方程及边界条件 10
2.2.3 边界条件的摄动展开 13
2.2.4 积分方程 14
2.2.5 半潜式平台水动力特性计算 16
2.3 小结 19
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 20
3.1 Gambit软件的介绍 20
3.1.1 Gambit几何造型 20
3.1.2网格的生成 21
3.2 使用Gambit软件建立半潜式平台的具体操作
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.2.4 积分方程 14
2.2.5 半潜式平台水动力特性计算 16
2.3 小结 19
第三章 Gambit软件在有限元建模中的应用 20
3.1 Gambit软件的介绍 20
3.1.1 Gambit几何造型 20
3.1.2网格的生成 21
3.2 使用Gambit软件建立半潜式平台的具体操作步骤 22
3.3 网格划分 26
3.4 小结 31
第四章 WVTDUT软件在半潜式平台模型模拟中的应用 32
4.1 WVTDUT软件介绍 32
4.2 波数、入射角、水流参数工况设定 35
4.3 水动力参数设定 36
4.4 小结 37
第五章 半潜式平台水动力特性分析 38
5.1 半潜式平台在波浪、水流耦合作用下水动力特性比较 38
5.1.1 一阶力时间历程模拟结果分析 38
5.2 小结 48
结 论 50
致 谢 51
参考文献 52
第一章 绪论
1.1 研究背景
二十一世纪是社会高速发展的一个时期，然而推动这一发展的主要因素就是能源。海洋面积约占地球面积的七成，作为地球的主要构成部分，海洋是大自然馈赠给人类的一个巨型宝库。海洋富有丰富的海洋生物资源和水资源，以及蕴藏在海底的珍贵的矿产资源。这些矿产资源中包括石油和天然气。石油，天然气是人类工业发展能源结构中举足轻重的构成部分。我们对陆地油气开采已经有了百年的历史，到二十一世纪，陆地油气开采已经趋于成熟，陆地油气的储备量也日益减少。人们逐渐将目光投向油气储备丰富的海洋上去了。
作为海上油气开采的主要手段海上平台，也日益受到油气开发商的关注。工业的发展推动油气开采，人类对于海上平台的需求也是逐渐增加，渐渐的近海海域的开发已经趋于饱和，深海油气开发又成了吸引油气开发商的一大动力。然而普通水深的油气开发技术、设备、装备、工艺已经不能完全适用于深海油气开采，所以用于普通水深的传统平台，例如导管架平台和重力式平台已经不适应深海油气开采。
半潜式钻井平台是用于海洋深海勘探的国际主流装备。半潜式平台的发展对于深海油气勘探开采有着重要的意义。半潜式平台有着很多特有的优点，这些都是其他类型的平台所不具备的。半潜式平台的优点主要由，大范围的工作水深，有很好的可移性能，很大的甲板空间，抗波流影响能力强，对于风浪的影响能力也很好，很高的可变载荷。但同时半潜式平台也有一些缺点，由于半潜式平台是漂浮在水面工作的，平台仅仅依靠锚泊和定位来保持位置，因此风浪，水流对半潜式平台的影响较大。在水流载荷和风浪载荷下，平台受力结构相当复杂。半潜式平台在一般海洋环境下稳定性很强，然而半潜式平台往往处于深海，深海海域会出现一些恶劣的海洋环境，半潜式平台在这种强烈风浪，水流作用下发生事故的可能较高，一旦发生事故，其后果也是不堪设想,从半潜式平台投入使用至今，已经有过很多事故例子。1991年美国新泽西州Texas平台被暴风摧毁，造成28人死亡。1980年巴西名为Alexander L.Kielland的半潜式钻井平台整体倾覆，造成这一事故的原因是因为撑杆断裂，造成123人死亡。巴西的P36号半潜式平台是该国最大的海上钻井平台，也是世界上较的几架半潜式平台之一，于1991年建造完成，次年投入使用，2001年由于事故导致平台沉没。此次事故致使巴西海上石油事业发展推迟数年，重创了巴西经济。由于这些半潜式钻井平台事故具有较强的毁灭性，尤其对环境有重大的不良影响，对经济也会造成巨大的打击，所以全社会都开始重视与关注半潜式钻井平台的安全问题。人们开始越来越重视半潜式平台的结构强度。对于波浪载荷，风载荷研究，主要研究这些载荷对平台受力结构的影响，可以有效的，有方向的对半潜式平台的稳定性进行评估与调控。
1.2 国内外海上半潜式平台研究现状
1.2.1 海上半潜式平台发展过程
世界上第一座半潜式海洋平台建于1961年，至今已有50多年之久。在这期间，半潜式海洋平台共经历了6个发展阶段。在20世纪60年代中期开始，由座底式平台演变的海洋平台便是第一代半潜式钻井平台。该时期的半潜式平台一般采用锚泊系统定位，作业水深在90米到180米之间。第一代有代表性的半潜式平台有诞生于1961年的Occan Driller，、Rih NO.1半潜式平台，诞生于1966年的Scdco135半潜式平台。这些平台也都有着这个时期平台的缺陷，如平台结构不太合理，自动化程度较低的设备。
Bulford Dolphin,Occan Barones和Noble Martin是第二代半潜式平台几个代表，诞生于20世纪70年代，它们的工作水深一般在180米到600米之间。该时期半潜式平台以两种钻深能力为主，一是6096米钻深，另一是7620米。仍然采用锚泊定位，设备自动化较低。
第三代半潜式海洋平台诞生于1980年至1985年，代表平台有Atwood Falcon Atwo
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