Spar平臺(tái)主體垂蕩-月池流體耦合運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)研究

劉利琴，張永恒，滿金雙，劉春媛，何鑫

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

Spar平臺(tái)主體垂蕩-月池流體耦合運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)研究

劉利琴，張永恒，滿金雙，劉春媛，何鑫

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

針對(duì)Spar平臺(tái)主體垂蕩-月池流體耦合運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了可拆卸的月池底部擋板及垂蕩板，通過(guò)靜水中自由衰減試驗(yàn)及波浪中強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，分析了月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。結(jié)果表明：月池流體顯著增加了平臺(tái)垂蕩阻尼；當(dāng)波浪周期接近平臺(tái)垂蕩固有周期時(shí)，月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩有抑制效應(yīng)，且抑制程度與月池開(kāi)孔面積有關(guān)；對(duì)于較大的底部擋板開(kāi)孔率，平臺(tái)主體垂蕩RAO有2個(gè)峰，當(dāng)波浪周期接近月池流體垂向振動(dòng)固有周期時(shí)，也會(huì)激起平臺(tái)主體較大的垂蕩運(yùn)動(dòng)。實(shí)際中采用半開(kāi)口月池時(shí)，應(yīng)考慮月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

Spar平臺(tái)；垂蕩；月池；模型試驗(yàn)；阻尼；垂蕩RAO；耦合運(yùn)動(dòng)

Spar平臺(tái)作為一種順應(yīng)式海洋平臺(tái)憑借其優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在海洋資源開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中部分Spar平臺(tái)存在自下而上貫穿整個(gè)主體的中央井，稱為Spar平臺(tái)的月池。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)要求將立管和鉆井設(shè)備等布置在月池內(nèi)部，從而將月池底部擋板設(shè)計(jì)為半開(kāi)口形式［1］。底部擋板半開(kāi)口的形式使得月池內(nèi)部流體與外部相連通，而月池內(nèi)部海水質(zhì)量與平臺(tái)主體質(zhì)量量級(jí)相當(dāng)，使得月池流體和平臺(tái)主體的耦合運(yùn)動(dòng)成為了一個(gè)重要的研究課題。

目前對(duì)Spar平臺(tái)主體、系泊系統(tǒng)與立管之間的耦合運(yùn)動(dòng)以及平臺(tái)主體各自由度之間的相互耦合問(wèn)題進(jìn)行了研究［2?4］，關(guān)于Spar平臺(tái)月池內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)及平臺(tái)主體與月池流體之間的相互耦合運(yùn)動(dòng)考慮較少。對(duì)于二者的耦合作用主要通過(guò)等效模型和模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。Barreira等［5?6］分別建立了彈簧-質(zhì)量模型和數(shù)值波浪水池，研究了月池內(nèi)部流體對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；Sphaier等［7?9］分別采用模型試驗(yàn)的方法，測(cè)量獲得了月池參數(shù)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響和月池固有特性。

本文基于模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3種不同開(kāi)口面積的可拆卸型底部擋板，研究了月池流體運(yùn)動(dòng)對(duì)Spar平臺(tái)主體垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

1 平臺(tái)參數(shù)

本文試驗(yàn)以Horn Mountain Spar平臺(tái)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。Horn Mountain Spar平臺(tái)是由BP石油公司在墨西哥灣安裝并工作，其工作水深達(dá)到1 646 m。在開(kāi)放式平臺(tái)主體上裝有3層垂蕩板結(jié)構(gòu)，并通過(guò)9條系泊纜定位，在本試驗(yàn)中暫不考慮系泊和立管的影響，只研究平臺(tái)主體的響應(yīng)特性。參考工程應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有的試驗(yàn)環(huán)境條件，在盡量不影響模型試驗(yàn)效果下設(shè)定模型比例為1∶130。具體平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)尺寸和模型尺寸如表1所示，平臺(tái)模型如圖1所示。

表1 平臺(tái)原型及模型尺寸Table1 Size of the platform and model

圖1 平臺(tái)模型Fig.1 Model of platform

2 試驗(yàn)布置和模型安裝

本試驗(yàn)在天津大學(xué)船模試驗(yàn)水池中進(jìn)行。試驗(yàn)水池長(zhǎng)137 m，寬7 m，水深3 m，模型安裝在水槽的中心位置。造波機(jī)的造波范圍為2～12 m波長(zhǎng)、0～25 cm波高。在模型頂端安裝LED紅外光源，采用非接觸式運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)量模型六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，利用浪高儀和多通道數(shù)據(jù)采集儀獲取波浪資料。試驗(yàn)整體布置如圖2所示。

將月池底板和垂蕩板設(shè)計(jì)為可拆卸型，其中垂蕩板間距H為0.707D。設(shè)計(jì)了3種不同的月池底板開(kāi)孔率，即30%、70%開(kāi)孔率和全封板，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)布置圖Fig.2 Experimental arrangement

圖3 可拆卸底部擋板安裝圖Fig.3 Installation of dismountable guide plates

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

模型試驗(yàn)分別測(cè)試了靜水中平臺(tái)的自由衰減運(yùn)動(dòng)及波浪中平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)。本試驗(yàn)主要對(duì)比分析了3種工況：底板全封閉、30%開(kāi)孔率及70%開(kāi)孔率時(shí)Spar平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)及月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩的影響。測(cè)試過(guò)程中，保持各種工況吃水相同，重心高度基本相同。

3.1 自由衰減試驗(yàn)

針對(duì)每種工況，測(cè)試3組自由衰減運(yùn)動(dòng)，以獲得平均垂蕩固有周期和阻尼，其中的一組衰減曲線如圖4所示。

圖4 垂蕩自由衰減曲線Fig.4 Free decay curves of heave motion

圖5 消滅曲線及系數(shù)擬合Fig.5 Extinction curves and coefficient fitting

根據(jù)垂蕩自由衰減曲線，計(jì)算每個(gè)相鄰峰谷之間的平均高度Zm＝（Zi+Zi+1）／2以及半周期內(nèi)垂蕩雙幅值減少ΔZ＝(Zj-Zj+1)。以Zm為橫坐標(biāo)，ΔZ／Zm為縱坐標(biāo)，畫出垂蕩消滅曲線，結(jié)果如圖5所示。

由最小二乘法擬合，獲取一階消滅系數(shù)和二階消滅系數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［11］將消滅系數(shù)轉(zhuǎn)化為線性及二階非線性阻尼系數(shù)。由于Truss Spar平臺(tái)垂蕩方向的線性阻尼（輻射阻尼）較小，非線性阻尼（粘滯阻尼）在垂蕩運(yùn)動(dòng)中起控制作用，以下只分析非線性阻尼。得到垂蕩自由衰減結(jié)果如表2所示。

表2 垂蕩周期及阻尼參數(shù)Table2 Heave period and damping parameter

從表2可以看到，考慮月池底部開(kāi)孔時(shí)，平臺(tái)垂蕩阻尼顯著增加。與全封板情況相比，30%開(kāi)孔率時(shí)垂蕩阻尼增大約48%，70%開(kāi)孔率時(shí)垂蕩阻尼增大約18%。另外，月池底部開(kāi)孔后，平臺(tái)垂蕩固有周期增加。

3.2 波浪中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

選取波高為3.08 cm（對(duì)應(yīng)4 m實(shí)際海況波高），每個(gè)工況測(cè)量13～21個(gè)波浪激勵(lì)周期，典型的平臺(tái)響應(yīng)歷程曲線如圖6～8所示。

圖6 全封板時(shí)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線，3.08 cm波高Fig.6 Time domain curves of platform heave motion with guide plates all closed when wave height is 3.08 cm

圖7 30%開(kāi)孔率時(shí)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線，3.08 cm波高Fig.7 Time domain curves of platform heave motion with guide plates 30%open when wave height is 3.08 cm

圖8 70%開(kāi)孔率時(shí)平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線，3.08 cm波高Fig.8 Time domain curves of platform heave motion with guide plates 70%open when wave height is 3.08 cm

根據(jù)不同波浪周期的響應(yīng)歷程，得到各個(gè)工況單位波幅對(duì)應(yīng)的垂蕩響應(yīng)幅值，即垂蕩響應(yīng)RAO曲線，如圖9所示。

圖9 平臺(tái)垂蕩響應(yīng)RAO曲線Fig.9 RAO curves of platform heave motion

圖6 ～8表明，在低于固有周期時(shí)，平臺(tái)垂蕩響應(yīng)隨波浪周期增加而增大。當(dāng)波浪周期接近平臺(tái)垂蕩固有周期時(shí)，將激發(fā)平臺(tái)大的垂蕩運(yùn)動(dòng)。當(dāng)波浪周期較小時(shí)，平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)呈非線性特性。圖9表明，考慮月池開(kāi)孔后，平臺(tái)垂蕩響應(yīng)RAO峰值減小。在波浪周期接近垂蕩固有周期時(shí)，月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩有抑制作用，且抑制程度與月池開(kāi)孔面積有關(guān)，在實(shí)際中可設(shè)計(jì)月池底部擋板的最優(yōu)開(kāi)孔面積來(lái)最大程度地減小平臺(tái)主體的垂蕩運(yùn)動(dòng)。本試驗(yàn)結(jié)果中，30%開(kāi)孔率對(duì)應(yīng)的平臺(tái)垂蕩RAO極值最小。

對(duì)于70%開(kāi)孔率的工況，主體垂蕩RAO存在2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在月池流體垂向振動(dòng)固有周期1.35 s（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［9］T＝2πd／g ）及主體垂蕩固有周期2.35 s附近，如圖9（b）所示。當(dāng)波浪周期接近月池流體垂向振動(dòng)固有周期時(shí)，也會(huì)激起平臺(tái)主體較大的垂蕩運(yùn)動(dòng)。因而在實(shí)際中采用半開(kāi)口的月池時(shí)，應(yīng)該考慮月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

4 結(jié)論

本文采用模型試驗(yàn)研究了Spar平臺(tái)主體垂蕩-月池流體耦合運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了可拆卸的月池底部擋板及垂蕩板，針對(duì)3種工況：底部檔板全封閉、30%開(kāi)孔率及70%開(kāi)孔率，進(jìn)行了靜水中自由衰減試驗(yàn)及波浪中強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，分析了月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。主要結(jié)論如下：

1）對(duì)比有、無(wú)月池時(shí)靜水中平臺(tái)的垂蕩自由衰減運(yùn)動(dòng)表明，月池流體顯著增加平臺(tái)垂蕩阻尼。

2）月池底部擋板開(kāi)孔能夠有效降低平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)，且與月池開(kāi)孔面積有關(guān)，并存在最優(yōu)開(kāi)孔率。

3）較大開(kāi)孔率時(shí)，主體垂蕩RAO有2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在月池流體垂向振動(dòng)固有周期及主體垂蕩固有周期附近。根據(jù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際中采用半開(kāi)口的月池時(shí)，應(yīng)該考慮月池流體對(duì)平臺(tái)主體垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響。

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Model experimental research on the coupled motion of heave and moonpool water of the Spar platform

LIU Liqin，ZHANG Yongheng，MAN Jinshuang，LIU Chunyuan，HE Xin
（School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Model experiments were carried out to study the coupled motion of heave and moonpool water of the Spar platform in this paper.The dismountable heave plates and guide plates on the bottom of the moonpool were de?signed.The influence of the fluid inside the moonpool on the heave motion of platform was analyzed according to the attenuation test in still water and the forced motion test in waves.The results indicated that the moonpool water in?creases the heave damping of platform.However，when the wave period is close to natural period of platform heave，the fluid of moonpool restrains the platform heave and the degree depends on the open area of guide plate.Neverthe?less，for the larger open ratio of guide plate，the heave RAO curve has two peaks and the platform will present lar?ger heave when the wave period is close to the natural period of moonpool water's vertical motion.In practice，if the semi?opening moonpool is used，the effect of moonpool water on the platform heave should be considered.

Spar platform；heave；moonpool；model experiment；damping；heave RAO；coupled motion

10.3969／j.issn.1006?7043.201312035

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150109.1501.004.html

P751；TB123

A

1006?7043（2015）03?0287?05

2013?12?27.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015?01?09.基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179125）.

劉利琴（1977?），女，副教授，博士.

劉利琴，E?mail：liuliqin＠tju.edu.cn.