新概念沙漏型浮体在波浪中的运动特性研究

For the self-dependent innovation of new conceptual sandglass-type oil and gas exploration equipment, the research presents special scientific problems to accurately predict the motion characteristic of new sandglass-type floating body under wave environment in deep sea, which mainly includes nonlinear, high-order and multi-DOF coupling factors due to the unique sandglass-type shape. Furthermore, design principle of sandglass-type floating body’s shape parameters based on optimized hydrodynamic performance is proposed..For the difficult problem of research, analysis program based on three dimensional boundary element method and wave potential theory, computational fluid dynamics (CFD) technique, theoretical derivation and model experiment are applied not only to analyze wave free, nonlinear and low-frequency characteristics of single degree-of-freedom (DOF) motion but also to discuss the green water, coupling resonance and motion instability phenomena of multi-DOF motion. Finally, in order to validate the calculation model and conclusions, various methods are compared with each other..In summary, this research creatively analyzes the motion characteristic of new sandglass-type floating body with independent intellectual property rights, which can play a very important role in the basic design of sandglass-type FPSO and further develop academic research achievements on hydrodynamic response of deep-water floating body.

本项目旨在实现新概念沙漏型深海油气开发装备的自主创新，提出准确预测沙漏型浮式主体在深海海洋波浪环境中运动特性所面临的特殊科学问题，讨论非线性、高阶、多自由度耦合等复杂因素对沙漏型浮体运动特性的影响，进而制定出沙漏型浮体外形参数的设计准则。.针对研究中的难点问题，采用基于三维边界元方法的势流计算分析程序、CFD数值仿真技术、理论推导以及水池模型实验等多种研究方法，主要分析了沙漏型浮体单自由度运动的wave free、非线性和低频特性，重点探讨了沙漏型浮体多自由度耦合运动引起的甲板上浪、耦合共振和运动失稳现象。最后，通过比较分析，验证研究方法、模型和结论的正确性。.本项目创新性地以具有完全自主知识产权的沙漏型浮体为研究平台，围绕其在深海海洋波浪环境中运动特性的计算分析展开，是实现深海沙漏型FPSO基本设计的关键性重要环节，同时进一步丰富深海浮体波浪水动力响应的学术研究成果。

针对沙漏型浮体在海洋波浪环境中运动特性所面临的科学问题，本项目按照计划研究并发现了沙漏型浮体垂荡运动的wave-free特性；提出了基于瞬时湿表面和记忆效应的非线性动力响应分析方法，探究了沙漏型浮体垂荡和纵摇运动非线性特性及耦合机理；提出了基于一阶、二阶低频响应的非高斯随机过程分析方法，探究了沙漏型浮体垂荡和纵摇运动的低频响应特性；建立了动力定位条件下纵荡-垂荡-纵摇耦合运动模型，发现了沙漏型浮体纵荡运动和纵摇运动耦合效应显著，提出了基于分段设计的自适应模糊PID控制方法，实现了高精度和低能耗的动力定位技术目标；提出了基于纵摇风倾力矩前馈的控制方法，发明了正交两向平面内全回转推进器和空间全方位回转推进器，形成了沙漏型浮体平均纵摇问题的动力定位解决方案；建立了沙漏型浮体1.5自由度艏摇非线性运动方程，发现并解决了动力定位条件下沙漏型平台的艏摇运动失稳问题；建立能够准确模拟沙漏型浮体运动的数值方法，提出了基于CFD波面的等效辐射阻尼的求解方法，提出基于系统能量的漩涡定量分析方法；建立了以最优运动性能为目标的沙漏型浮体外形设计方法，确立了满足干树采油条件的沙漏型浮体设计技术。. 本项目基于浮体和波浪耦合作用提出沙漏型浮体设计流程和方案，是基于原理的原始创新。围绕沙漏型浮体，授权美国发明专利3项，授权中国发明专利5项；在研究过程中，解决了沙漏型浮体在波浪中高阶、非线性、耦合运动等系列基础科学问题，在《Marine Structures》等海洋领域内顶级学术期刊(SCI或EI检索)上录用和发表了9篇学术论文。围绕本课题研究方法的扩展应用，在《Ocean Engineering》国内外著名期刊杂志(SCI或EI检索)发表了学术论文7篇。此外，发表中文核心期刊论文1篇，在船舶与海洋工程顶级国际会议OMAE和ISOPE上发表会议论文3篇 (SCI或EI检索)。根据本课题研究成果设计的沙漏型FPSO方案，针对我国南海极端恶劣的海洋环境条件可实现“钻井、干树采油、生产、储卸”一体化概念设计，具有重要的工程意义和技术创新性。