浅水大型FPSO运动及甲板上浪特性研究

论文摘要

渤海是我国海上石油主要产区之一,新开发的秦皇岛32-6、渤中25-1、曹妃甸11-1和蓬莱19-3等亿吨级大油田都有浮式生产储油轮（FPSO）工作于水深20m左右的浅水中。国际上,越来越多的LNG船、LNG浮式接收终端需要系泊于近岸浅水海域。由此,大型浮体在浅水中的水动力特性,如运动响应、系泊载荷、是否触底、甲板上浪等,仍将是国内外的研究热点之一。FPSO常年系泊于特定海域,所遇海洋环境极为复杂,甲板上浪时有发生,上浪水体会对船体及甲板设备造成严重损坏。在非共线风浪流作用下,单点系泊的FPSO船体处于斜向迎浪状态,此时的运动性能和甲板上浪特性值得进一步研究。本文以浅水大型FPSO在渤海海域的应用为研究背景,以单点系泊于PL19-3浅水油田的30万吨级FPSO为研究对象,通过模型试验和数值模拟的方法,对浅水FPSO遭遇非共线风浪流组合海况时的运动特性及斜向迎浪时甲板上浪特性进行了研究分析。首先,基于三维线性势流理论通过频域和时域数值模拟得到浅水不同水深、不同波浪条件下风浪流联合作用下FPSO的运动响应,并与相应模型试验结果比较分析浅水中风浪流联合作用下FPSO的运动特性;其次,结合运动特性及甲板上浪的模型试验结果分析了浅水FPSO的甲板上浪特性,并检验了甲板上浪工程快速时域预估方法的可靠性;最后基于FLUENT软件,建立4种水深的三维数值水池,在不同水深、不同浪向角条件下,对固定和运动FPSO遭遇不同波高规则波时的波浪爬升及甲板上浪情况进行了模拟,并与模型试验进行对比,揭示试验结果的产生原因,进而分析了浪向角、浅水深及波高对上浪的影响,得出浅水FPSO上浪的规律,为应用于浅水的FPSO避免上浪发生提供理论依据。研究表明:首摇角对于FPSO的摇荡及上浪均影响显著;非共线风浪流使得船体斜向迎浪,船舯附近比船首和船尾处更容易发生甲板上浪;不考虑波浪堆积爬升的甲板上浪时域预估方法并不适用于浅水;相同波高下,水深较小时运动较小,符合浅水效应规律,但此时舷侧甲板波浪堆积明显,上浪更为严重;浅水深对上浪也有显著影响,水深越浅,波浪爬升及上浪越剧烈,这在FPSO斜向迎浪时更显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 FPSO 的发展现状与趋势
• 1.2.1 世界FPSO 的发展与金融危机的影响
• 1.2.2 我国FPSO 的应用
• 1.2.3 新型FPSO 的发展
• 1.3 浅水FPSO 水动力性能的研究
• 1.4 甲板上浪现象的研究
• 1.5 本文研究内容及创新点
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 主要创新点
• 第二章 FPSO 在波浪中的运动理论
• 2.1 坐标系选取及运动量描述
• 2.2 频域内的运动响应分析
• 2.2.1 速度势的求解
• 2.2.2 波浪力及运动方程
• 2.2.3 不规则波下的频域响应
• 2.3 时域下的运动响应分析
• 第三章 FPSO 系统在风浪流联合作用下的运动
• 3.1 海洋环境条件及FPSO 系统
• 3.1.1 海洋环境条件
• 3.1.2 三十万吨级FPSO 系统
• 3.2 模型试验内容
• 3.2.1 海洋环境条件的模拟
• 3.2.2 模型试验工况
• 3.3 数值计算内容
• 3.3.1 FPSO 船体湿表面模型
• 3.3.2 软钢臂系泊系统的模拟
• 3.3.3 频域及时域数值计算
• 3.4 运动性能分析
• 3.4.1 频域内试验与数值计算结果分析
• 3.4.2 极限海况下运动性能
• 3.5 本章小结
• 第四章 FPSO 甲板上浪模型试验及时域预估
• 4.1 甲板上浪的模型试验
• 4.1.1 模型试验布置及上浪测量方法
• 4.1.2 甲板上浪模型试验结果分析
• 4.2 甲板上浪的时域预估
• 4.2.1 时域预估方法
• 4.2.2 时域预估结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 数值水池的建立与验证
• 5.1 三维数值水池的建立
• 5.1.1 控制方程
• 5.1.2 水池布置和数值方法
• 5.2 三维数值水池规则波的模拟
• 5.2.1 造波参数选取
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 固定 FPSO 的甲板上浪模拟
• 6.1 迎浪FPSO 的甲板上浪
• 6.1.1 水池的布置及数值方法
• 6.1.2 上浪模拟结果
• 6.2 斜向迎浪FPSO 的甲板上浪
• 6.2.1 水池的布置及数值方法
• 6.2.2 上浪模拟结果
• 6.3 浅水甲板上浪综合分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 运动FPSO 的甲板上浪
• 7.1 FPSO 运动选取
• 7.2 数值模拟方法与内容
• 7.2.1 运动实现及网格方案
• 7.2.2 水池布置及工况
• 7.3 结果分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 主要工作总结
• 8.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书