张紧式系泊水下浮筒水动力响应特性

2022-11-01 09:54陈国龙白晓东窦宏波黄俊辉骆寒冰
中国海洋平台 2022年5期
关键词:浮筒系泊波浪

陈国龙, 白晓东, 窦宏波, 黄俊辉, 骆寒冰

(1. 中海油研究总院有限责任公司, 北京 100028;2. 天津大学 船舶与海洋工程系, 天津 300350)

0 引 言

为经济有效地开发海上边际油田,开发设施如储卸油设施应具备安全性、经济性和可再利用能力。传统海上原油外输设施成本高,不利于边际油田的开发。为此研发一种新型可移动水下张紧系泊浮筒型油气外输终端系统,该系统具备投资低、便于迁移再利用的特点,可有效降低海上边际油田开发成本。

在波流作用下,水下浮筒和张紧式系泊耦合运动特性复杂。海上施工成本高昂,准确预报浮筒运动响应和系泊受力,判断能否正常作业,对提高作业效率和经济效益具有重要意义。开展水下张紧式系泊浮筒动力响应特性研究有助于避免危险事故的发生,具有重要的理论意义和工程应用价值。

水下张紧式系泊浮体常见于水下海洋波浪能装置和海底悬浮隧道中,学者们对张紧式系泊浮体开展大量的试验和数值模拟研究。RUTKOWSKI[1]对比分析单点系泊水下张紧式系泊浮筒和动力定位外输驳船的动力响应特性。JIN等[2]开展物理模型探究二维水下张紧式系泊悬浮隧道的非线性运动响应和系泊张力。SEO等[3]研究水下系泊浮体张紧式系泊的松弛现象,并探究张紧式系泊的张力特性。MENG等[4]研究张紧式水下波浪能结构运动特性和发电效率。YANG等[5]通过试验和数值模拟探究水下张紧式系泊球体在单色波作用下的半频非线性运动响应特性。ORSZAGHOVA等[6]探究单点张紧式系泊水下浮子波浪能装置参激不稳定现象,理论推导横荡运动不稳定方程,并通过模型试验探究三点张紧式系泊水下浮子波浪能装置艏摇运动参激不稳定现象,构建二阶和三阶非线性Mathieu不稳定方程[7]。SERGIIENKO等[8]通过数值模拟探究单点和三点张紧式系泊水下浮子波浪能装置垂荡和纵荡运动特性,探究阻尼和能量提取系统对浮子运动的影响。LU等[9]探究水下悬浮隧道张紧式系泊张力的松弛-张紧现象,探究结构形状参数、系泊倾角、浮心和重心相对位置对系泊脉冲张力的影响。CANTERO等[10]对垂直张紧式系泊水下悬浮隧道进行数值模拟,探究悬浮隧道在参激振动下张紧式系泊受力特性。

国内外学者对张紧式系泊浮体运动响应开展一定的研究,但对三点张紧式系泊水下浮筒运动响应的试验研究较少,对张紧式系泊水下浮筒的可行性及适用范围缺乏深入了解,张紧式水下系泊浮筒的设计缺乏科学理论依据。本文以外输终端——水下张紧式系泊浮筒为研究对象,采用模型试验方法探究波浪作用下水下系泊浮筒的动力响应特性,对水下系泊浮筒的优化设计具有重要的参考价值和指导意义。

1 模型试验方案及布置

试验在天津大学港口与海洋工程水池进行,水池长×宽×深为55.0 m×24.0 m×1.8 m。浮筒和系泊参数如表1所示。图1为水下系泊浮筒示例及系泊布置图,图1(b)给出系泊缆编号f1~f6和试验中的波浪方向。图2为浮筒试验模型和试验现场布置图。试验缩尺比λ为1∶50。模型与原型之间需要满足几何相似、流体运动和动力相似。其中,动力相似主要指满足Froude相似和Strouhal相似准则,而忽略黏性Reynolds相似,即

(1)

(2)

式中:Fr和Sr分别为弗劳德数和斯特劳哈尔数;V、L、t分别为速度、长度、时间,下标m、s分别代表模型和原型。

表1 浮筒和系泊主要参数

图1 水下系泊浮筒示例及系泊系统布置

图2 浮筒试验模型及试验现场

利用NDI公司的OPTOTRAK Certus非接触式光学系统测量浮筒的运动响应,最高精度为0.1 mm。采用微型拉力传感器测量6根系泊缆的受力,微型拉力传感器安装于缆绳与导缆孔之间,量程为2 kg,精度为2 g。

通过静水衰减试验得到系泊浮筒固有周期,如表2所示。换算成原型结果的模型试验系泊浮筒衰减曲线如图3所示。

表2 系泊浮筒固有周期和频率原型值

图3 浮筒衰减曲线

开展规则波试验测定浮筒运动响应幅值算子(Response Amplitude Operator,RAO),开展不规则波和水流联合作用试验测定浮筒的动力响应特性。采用JONSWAP谱模拟不规则波,不规则波有义波高为8.6 m,谱峰周期为11.8 s,流速为1.9 m/s,波流同向。试验波高及波浪谱与理论谱的比较如图4所示。所有分析结果均已转换为原型值。

图4 不规则波时历及波浪谱

2 规则波下浮筒运动和系泊受力特性

图5和图6分别为顶浪情况下规则波周期为8 s时浮筒的运动时历曲线和响应谱。由图5和图6可知:

(1) 在横摇和纵摇固有周期附近,浮筒也会产生垂直于波浪方向的运动,即横荡、横摇和艏摇运动。

(2) 不同于传统悬链线等系泊系统,张紧式系泊系统的浮筒在纵荡、横荡和艏摇方向上不存在低频慢漂运动,浮筒纵荡、横荡、横摇和纵摇运动主要以波频运动,垂荡和艏摇以倍频运动为主。浮筒在艏摇方向上具有明显高阶运动,横摇方向上的运动具有一定的非线性成分。

(3) 受张紧式系泊的影响,浮筒垂荡运动呈现非对称特性,向上运动幅度远小于向下运动的幅度。

图5 规则波下浮筒运动时历(T=8 s)

图6 规则波下浮筒运动响应谱(T=8 s)

图7为规则波下系泊系统的受力时历曲线。由图7可知,系泊力呈现周期性变化,但具有非线性特性。图8为规则波下系泊受力的响应谱。由图8可知,系泊受力以波频为主,具有二阶及更高阶成分。

图7 规则波下系泊力时历(T=8 s)

图8 规则波下系泊力响应谱(T=8 s)

图9给出规则波下浮筒顶浪情况的运动RAO。由图9可知:

(1) 浮筒存在垂直于波浪方向上的运动,即横荡、横摇和艏摇,在固有周期附近呈现大幅运动。参激共振可能是导致垂直于波浪方向运动的原因。由试验结果和分析可知,在进行水下浮筒设计时应充分考虑垂直于波浪方向的运动特性。

(2) 浮筒运动基本呈现随波浪频率先增大后减小的趋势,在横摇和纵摇固有周期附近,6个自由度运动达最大值。浮筒在横摇和纵摇固有周期附近出现较大横荡运动,表明浮筒纵荡与横摇、纵摇出现耦合。

(3) 8 s周期的波浪波长约100 m,浮筒直径为9 m,浮筒尺度比波长小很多,非线性黏性力对浮筒运动的影响不可忽视。

图9 规则波下浮筒顶浪下运动RAO

3 不规则波下浮筒运动和系泊受力特性

图10为不规则波下浮筒运动时历曲线。由图10可知:浮筒的正向纵摇运动大于20°,负向纵摇运动小于20°,浮筒纵摇均值为正值,表明浮筒有一定的倾斜角,这是由水流存在造成的。浮筒横摇运动约±10°,较大的浮筒纵摇和横摇转动不利于浮筒外输作业。

图10 不规则波下浮筒运动时历

图11为不规则波下浮筒运动响应谱。由图11可知:运动频率大多集中在波浪频率范围;但艏摇运动出现二倍频运动,垂荡运动更加复杂,在高频和低频处均有一部分能量。

图11 不规则波下浮筒运动频谱响应谱

图12为不规则波下系泊受力的时历曲线。由图12可知:迎浪测f1和f2系泊缆比f2系泊缆受力大;张紧式系泊的受力具有非对称特性,呈现一定的脉冲特性。图13为不规则波下系泊力响应谱。由图13可知,张紧式系泊能力主要集中在波频范围内,最大系泊力为1.20×106N。

图12 不规则波下系泊力时历

图13 不规则波下浮筒系泊力响应谱

4 结 论

采用物理模型试验方法研究波流工况下张紧式系泊水下浮筒的动力响应特性,得到如下结论:

(1) 由规则波结果可知,浮筒运动主要以波频为主,受张紧式系泊的影响,浮筒不会出现慢漂运动,运动呈现高阶非线性特性。规则波RAO结果表明:浮筒运动呈现随波频先增大后减小的趋势,在横摇和纵摇固有周期附近达最大值;在横摇和纵摇固有周期附近,浮筒也会产生垂直于波浪方向上的运动,即横荡、横摇和艏摇运动,原因可能是参激共振和非线性黏性力作用。在进行水下浮筒设计时应充分考虑浮筒垂直于波浪方向上的运动。

(2) 在不规则波和水流作用下浮筒呈现六自由度运动,浮筒垂荡呈现非对称特性,受张紧式系泊的影响,浮筒向下垂荡运动幅值大于向上运动幅值;浮筒在波流作用下呈现较大的纵摇和横摇运动,且由于水流的原因浮筒沿水流方向有一定的倾斜角;谱分析发现浮筒运动能量大多集中在波频范围内。

(3) 由张紧式系泊受力结果可知,迎浪侧系泊缆受力远大于背浪侧系泊缆受力,谱分析发现浮筒系泊力能量谱大多集中在波频范围内。

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