開口式月池水動力特性研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、月池結構在海洋油氣開采工程裝備中具有廣泛應用。月池作為立管和套管通過的流體區(qū)域,其形狀和結構形式對于浮體的運動性能具有重要影響。因此,研究月池內流體動力特性對于月池的設計和控制浮體的運動,具有重要的理論和工程意義。
  本文針對底部全開口的矩形月池展開研究?;趧萘骼碚摻⒃鲁亓黧w運動方程,采用新的底部全開口邊界條件,研究月池內流體的自振特性及水動力特性;基于拉格朗日理論,建立結構垂蕩-橫搖及月池流體耦合運動方程,研究月池流體對結

2、構運動穩(wěn)定性的影響。本文主要工作及結論如下:
  建立了月池內流體的運動方程及邊界條件。假設月池內流體為理想流體,基于勢流理論建立了月池內流體的運動方程。根據速度勢及其法向導數在月池底部開口處的匹配條件,分別推導了全開口月池流體二維及三維情況時底部邊界滿足的數學表達式。
  研究了月池內二維流體自振特性。將月池流體簡化為二維流動,采用伽遼金方法展開速度勢函數,求解各階自振頻率及對應的模態(tài)函數,分析了解的收斂性,研究了月池參數

3、對流體自振頻率及振型的影響。結果表明,月池流體具有兩類運動形式,即垂向活塞振動及水平方向液面晃蕩;垂向運動模態(tài)自振頻率主要由月池內水深決定,晃蕩自振模態(tài)頻率主要由月池兩側壁間距離決定;當自由液面靠近底面時,自振頻率受底面速度影響升高。
  研究了月池內三維流體的自振特性。利用伽遼金方法將速度勢函數展開,將流體的三維自振特性方程轉化為二維特征值方程,求解了各階自振頻率及振型,分析了月池幾何參數對月池內流體自振特性的影響,與二維結果進

4、行對比,給出了二維模型的適用條件。結果表明,月池長度與寬度比大于3時,月池流體的自振頻率基本由寬度方向的階次決定,可采用二維模型;而長度與寬度相近時,各階模態(tài)的頻率與二維計算結果對比相差較大。
  研究了月池橫蕩運動時月池內流體的水動力學參數??紤]月池結構橫蕩簡諧運動,利用伽遼金方法求解月池內流體速度勢函數的半解析解,計算橫蕩附加質量、側壁壓力分布及底面的流動速度分布,分析了附加質量隨激勵頻率變化的規(guī)律。結果表明,當月池橫蕩運動頻

5、率接近或等于月池流體自振頻率時,流體附加質量增加到峰值。在月池流體的自振區(qū)間內,流體附加質量為月池自身排水量的數倍。月池底面壓力以底面中點為中心對稱分布,在自由液面影響范圍的側壁壓力明顯高于其他位置。
  建立了月池內流體的等效單擺力學模型,給出了等效單擺參數隨月池參數變化的規(guī)律。將月池內水深的變化視為月池的垂蕩運動,建立不同水深下月池等效模型的參數庫。研究表明,二階單擺等效質量遠小于一階單擺等效質量,在一般的計算中可忽略二階以上

6、月池晃蕩的影響。
  研究了浮體垂蕩-橫搖及月池流體的耦合運動特性,分析了月池流體對浮體運動穩(wěn)定性的影響。根據拉格朗日方程建立了月池-浮體耦合運動方程,考慮月池流體的影響,推導了橫搖參數激勵的馬蒂厄方程,應用佛羅凱理論研究浮體周期解的穩(wěn)定性,確定橫搖運動穩(wěn)定區(qū)間。結果表明,月池流體阻尼明顯減小了浮體橫搖不穩(wěn)定區(qū)域,對1/2亞諧波振動的不穩(wěn)定區(qū)域作用不明顯,增加月池的長度明顯減小了浮體橫搖穩(wěn)定區(qū)域。
  研究了Spar平臺的分

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