新型深水多立柱FDPSO非线性涡激运动机理研究

Vortex-induced motions of platforms may cause fatigue damages in risers and mooring lines, and also increase the risk of the platforms. Compared with the vortex-induced vibration phenomena of slender bodies, the vortex-induced motions of platforms show significantly different characteristics due to the particular features of platforms, i.e., relatively low aspect ratio, high stiffness and the specific mooring systems. The previous researches in literatures on the issue of vortex-induced motions are mainly about the Spar platforms. The present project will focus on the nonlinear characteristics of the vortex-induced motions of multi-column FDPSOs in deep water. Several issues are carefully considered in this study, such as, prediction of the hydrodynamic performance and the flow characteristics of multi-column FDPSOs in waves and currents; CFD (computational fluid dynamics) modeling of the factors including sea environment, platform frame structures, heave compensation system SRV or TLD and the platform's own dynamic characteristics, as well as the CFD solutions with the dynamic mesh technique; model tests in deep water offshore basin; quantitative expression of multiple factors for multi-column FDPSOs' vortex-induced motions based on the results of numerical simulation and model test; analysis the motion stability and chaotic dynamics of multi-column FDPSOs' vortex-induced motions. This project aims to reveal the mechanisms related with the fluid-structure interactions and the motion stability of multi-column FDPSOs, also provides the theoretical basis for the suppression of vortex-induced motions.

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤，危害其安全、稳定性。平台由于具有较小的纵横比、显著的刚性特征及特有的系泊系统，其涡激运动显示出与立管等细长体涡激振动截然不同的运动特征。现有相关研究多针对单立柱平台（Spar），本项目拟对新型深水多立柱FDPSO非线性涡激特性这一关键问题开展研究。具体内容包括：波流联合作用下多立柱FDPSO复杂绕流特性及水动力性能预报；考虑外部海洋环境、平台主体结构、特有升沉补偿系统SRV或TLD、自身动力特性等多因素下平台耦合流场计算流体动力学建模，结合动网格技术进行数值求解；在深水试验池中开展缩尺模型试验；基于数值模拟和模型试验构建多因素耦合作用下多立柱FDPSO涡激运动的定量表达；并在此基础上开展多立柱FDPSO涡激运动稳定性及混沌动力学研究。本项目旨在揭示新型多立柱FDPSO流固耦合机理，为涡激运动抑制提供理论支撑。

随着全球海上油气开采的日益频繁，海洋平台涡激运动（VIM）受到越来越多学者的关注。本项目在国内外学者研究的基础上采用理论分析、数值模拟与水池模型试验的方法，由基础到深入，对一新型深水多立柱FDPSO在不同来流方向及速度下平台的绕流与涡激运动特性进行了较为深入的研究，分析了平台受力情况、运动幅值、响应频谱特性与运动轨迹等。本项目主要研究内容如下：.1.较为全面的回顾和分析了国内外研究柱体涡激运动问题的动态和进展，系统介绍了涡激运动问题研究过程中所涉及的流体相关参数、结构物相关参数和耦合运动的相关参数。.2.对方形四立柱和圆形四立柱两种典型立柱截面涡激运动进行数值模拟，采用最大振幅统计法和标称振幅统计法对两种立柱截面涡激运动幅值响应进行分析，并重点研究了其频谱特性、运动轨迹和尾涡模式。.3.建立不同来流方向下方形四立柱涡激运动的模型，模拟0°、15°、30°和45°来流下方形四立柱涡激运动，重点分析来流方向方形四立柱涡激运动的影响，研究其幅值响应、频谱特性、运动轨迹和尾涡模式。.4.建立不同间距比下方形四立柱涡激运动的模型，模拟间距比3.0、4.0和5.0工况下方形四立柱涡激运动，重点分析间距比对方形四立柱涡激运动的影响，研究其幅值响应、频谱特性、运动轨迹和尾涡模式。.5. 以1:80缩尺比制作平台缩尺模型，在上海交通大学海洋工程水池进行模型试验，充分考虑到系泊系统等对平台主体涡激运动的影响，突破了现有涡激运动相关试验研究多在拖曳水池中简化进行的局限。同时在单柱数值模拟的基础上建立多立柱FDPSO整体数值模型，进行三维绕流与涡激运动数值模拟，对比研究FDPSO在不同来流方向及速度下平台的绕流与涡激运动特性。.6. 研究在波浪作用下多立柱FDPSO水动力响应，并在上海交通大学海洋工程水池进行模型试验，对比研究了在规则波与不规则波作用下平台的六自由度运动响应与系泊特性。