深吃水系泊多立柱深海浮式平台涡激运动特性研究

Deep-draft multi-column floating platforms with a deepwater station-keeping mooring system are one of the most popular concepts adopted for deepwater oil and gas exploration over the world. In deep sea current, this type of floating platforms can be easily suffered from large amplitude Vortex Induced Motion (VIM), which can not only affect the normal operation of the platform, but also impact and even destroy the mooring and riser systems. However, the hydrodynamic behavior and the fundamental mechanism of the VIM for such multi-column platforms with nonlinear deepwater mooring system in super-critical Reynolds numbers are still not well understood. Therefore, the present research will focus on the theoretical, numerical and experimental studies of VIM for such deep-draft multi-column platforms with nonlinear mooring system. First, model test methodologies will be derived for 3-degree of freedom VIM of multi-column floating platforms with equivalent nonlinear horizontal restoring stiffness. Second, a numerical method will also be developed to simulate 3-degree of freedom VIM of multi-column floating platforms within turbulent boundary layer separation. In addition, a nonlinear coupling theoretical model of structure and wake oscillator will be built up to simulate the VIM of multi-column structures with nonlinear deep sea mooring system. On basis of these work, the influence mechanism of current, geometry of platforms, and deep sea mooring parameters on VIM will be systematically investigated. Moreover, all the nonlinear dynamic behaviors of deep-draft multi-column floating platforms during VIM and their impact mechanism will be revealed. The present research will provide a fundamental theoretical basis for the development and design of novel deep sea multi-column oil and gas platforms in South China Sea.

深吃水系泊多立柱浮式平台属于当今海洋油气资源开发的主流设施之一，在海流作用下这类平台易发生大幅度的涡激运动现象，不仅影响其正常的生产作业，甚至对平台系泊和立管产生严重危害，然而在超临界雷诺数下对这类浮式平台涡激运动特性及其危害性机理的认识尚不充分。有鉴于此,本课题开展深吃水系泊多立柱深海浮式平台涡激运动问题的理论、数值和实验研究，形成水平非线性刚度等效约束下多立柱浮式平台3自由度涡激运动的模型实验方法，发展湍流边界层分离下多立柱浮式平台3自由度涡激运动的数值模拟方法，建立基于尾流振子模型的多立柱浮式平台与深海系泊时域非线性耦合的涡激运动理论模型；在此基础上，深入揭示海流参数、平台几何参数和深海系泊参数等对多立柱浮式平台涡激运动的影响机理及其规律，阐明在多立柱系泊浮式平台涡激运动下可能会出现的各种运动学和动力学行为特征及其危害性机理，为我国新型深海多立柱系泊浮式平台的开发与设计提供理论依据。

我国南海蕴藏着丰富的油气资源，在广阔的深海进行资源开发对保证我国国民经济的可持续健康发展具有重要的战略意义。深吃水多立柱平台作为一种适合我国南海油气资源勘探和开发的浮式平台在来流作用下会产生大幅度涡激运动，对平台的系泊和立管系统造成疲劳破坏。本项目通过数值计算、模型实验和理论研究相结合的手段，深入研究了多立柱浮式平台在高雷诺数下的绕流特性，揭示了深吃水系泊多立柱浮式平台的涡激运动响应机理。项目通过IDDES方法对单柱和串列双柱绕流特性进行数值分析，并与实验结果进行了对比，验证了数值方法的有效性，在此基础上对深吃水多立柱（方柱带倒角）浮式平台的涡激运动响应特性进行数值模拟，研究表明该平台在22.5°流向角下横向运动响应幅值最大，0°时艏摇响应幅值最大。在15°，22.5°，45°流向角下平台运动轨迹始终沿平台对角线。流场分析表明在不同流向角下立柱表面的流动分离形式及立柱间的干扰形式的显著不同导致了平台所受横向力的变化，进而导致不同的涡激运动响应特征。高雷诺数下的张力腿平台绕流实验和数值模拟研究表明在超临界区，平台的脉动横向力系数以及艏摇力矩系数均较亚临界雷诺数区的结果更小，22.5°流向角下张力腿平台的脉动横向力和艏摇力矩较其他流向角下更大，力与力矩的相关性分析表明脉动艏摇力矩主要受脉动横向力的影响。对张力腿平台涡激运动模型实验的研究发现，平台吃水对横向涡激运动响应锁定区间的影响不大，锁定区间随流向角的增大而减小，响应幅值大致随吃水和流向角的增大而减小；系泊刚度对平台横向运动幅值有一定影响，但不具有单调的变化规律。艏摇运动的锁定区间在大多数情况下不明显，但在低流速时，响应幅值基本不受吃水及流向角的影响，仅与来流速度有关；圆形立柱张力腿平台涡激运动轨迹始终垂直于流向，与流向角无关。最后，基于尾流振子模型建立了平台在线性和非线性刚度作用下涡激运动的快速预报模型，并将流向和横向耦合运动计算结果与实验结果进行了比较分析，验证了此理论模型的可靠性。上述研究可为我国新型深海多立柱系泊浮式平台的开发与设计提供理论依据。