Spar平臺主體垂蕩-月池流體耦合運動模型試驗研究

劉利琴，張永恒，滿金雙，劉春媛，何鑫

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

Spar平臺主體垂蕩-月池流體耦合運動模型試驗研究

劉利琴，張永恒，滿金雙，劉春媛，何鑫

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

針對Spar平臺主體垂蕩-月池流體耦合運動問題，采用模型試驗的方法進行了研究。設(shè)計了可拆卸的月池底部擋板及垂蕩板，通過靜水中自由衰減試驗及波浪中強迫運動試驗，分析了月池流體對平臺主體垂蕩運動的影響。結(jié)果表明：月池流體顯著增加了平臺垂蕩阻尼；當波浪周期接近平臺垂蕩固有周期時，月池流體對平臺主體垂蕩有抑制效應，且抑制程度與月池開孔面積有關(guān)；對于較大的底部擋板開孔率，平臺主體垂蕩RAO有2個峰，當波浪周期接近月池流體垂向振動固有周期時，也會激起平臺主體較大的垂蕩運動。實際中采用半開口月池時，應考慮月池流體對平臺主體垂蕩運動的影響。

Spar平臺；垂蕩；月池；模型試驗；阻尼；垂蕩RAO；耦合運動

Spar平臺作為一種順應式海洋平臺憑借其優(yōu)良的運動性能和結(jié)構(gòu)特點在海洋資源開發(fā)中得到了廣泛的應用。其中部分Spar平臺存在自下而上貫穿整個主體的中央井，稱為Spar平臺的月池。根據(jù)實際的生產(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)計為半開口形式［1］。底部擋板半開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)量與平臺主體質(zhì)量量級相當，使得月池流體和平臺主體的耦合運動成為了一個重要的研究課題。

目前對Spar平臺主體、系泊系統(tǒng)與立管之間的耦合運動以及平臺主體各自由度之間的相互耦合問題進行了研究［2?4］，關(guān)于Spar平臺月池內(nèi)部流體的運動及平臺主體與月池流體之間的相互耦合運動考慮較少。對于二者的耦合作用主要通過等效模型和模型試驗的方法進行研究。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)部流體對平臺的運動響應的影響；Sphaier等［7?9］分別采用模型試驗的方法，測量獲得了月池參數(shù)對平臺運動響應的影響和月池固有特性。

本文基于模型試驗，設(shè)計了3種不同開口面積的可拆卸型底部擋板，研究了月池流體運動對Spar平臺主體垂蕩運動的影響。

1 平臺參數(shù)

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

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

圖1 平臺模型Fig.1 Model of platform

2 試驗布置和模型安裝

本試驗在天津大學船模試驗水池中進行。試驗水池長137 m，寬7 m，水深3 m，模型安裝在水槽的中心位置。造波機的造波范圍為2～12 m波長、0～25 cm波高。在模型頂端安裝LED紅外光源，采用非接觸式運動姿態(tài)測量儀測量模型六自由度運動響應，利用浪高儀和多通道數(shù)據(jù)采集儀獲取波浪資料。試驗整體布置如圖2所示。

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

圖2 試驗布置圖Fig.2 Experimental arrangement

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

3 試驗結(jié)果及分析

模型試驗分別測試了靜水中平臺的自由衰減運動及波浪中平臺的六自由度運動。本試驗主要對比分析了3種工況：底板全封閉、30%開孔率及70%開孔率時Spar平臺的垂蕩運動及月池流體對平臺主體垂蕩的影響。測試過程中，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

針對每種工況，測試3組自由衰減運動，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，計算每個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，ΔZ／Zm為縱坐標，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）在垂蕩運動中起控制作用，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，考慮月池底部開孔時，平臺垂蕩阻尼顯著增加。與全封板情況相比，30%開孔率時垂蕩阻尼增大約48%，70%開孔率時垂蕩阻尼增大約18%。另外，月池底部開孔后，平臺垂蕩固有周期增加。

3.2 波浪中平臺運動試驗

選取波高為3.08 cm（對應4 m實際海況波高），每個工況測量13～21個波浪激勵周期，典型的平臺響應歷程曲線如圖6～8所示。

圖6 全封板時平臺垂蕩運動時域曲線，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%開孔率時平臺垂蕩運動時域曲線，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%開孔率時平臺垂蕩運動時域曲線，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歷程，得到各個工況單位波幅對應的垂蕩響應幅值，即垂蕩響應RAO曲線，如圖9所示。

圖9 平臺垂蕩響應RAO曲線Fig.9 RAO curves of platform heave motion

圖6 ～8表明，在低于固有周期時，平臺垂蕩響應隨波浪周期增加而增大。當波浪周期接近平臺垂蕩固有周期時，將激發(fā)平臺大的垂蕩運動。當波浪周期較小時，平臺垂蕩運動呈非線性特性。圖9表明，考慮月池開孔后，平臺垂蕩響應RAO峰值減小。在波浪周期接近垂蕩固有周期時，月池流體對平臺主體垂蕩有抑制作用，且抑制程度與月池開孔面積有關(guān)，在實際中可設(shè)計月池底部擋板的最優(yōu)開孔面積來最大程度地減小平臺主體的垂蕩運動。本試驗結(jié)果中，30%開孔率對應的平臺垂蕩RAO極值最小。

對于70%開孔率的工況，主體垂蕩RAO存在2個峰值，分別出現(xiàn)在月池流體垂向振動固有周期1.35 s（根據(jù)經(jīng)驗公式［9］T＝2πd／g ）及主體垂蕩固有周期2.35 s附近，如圖9（b）所示。當波浪周期接近月池流體垂向振動固有周期時，也會激起平臺主體較大的垂蕩運動。因而在實際中采用半開口的月池時，應該考慮月池流體對平臺主體垂蕩運動的影響。

4 結(jié)論

本文采用模型試驗研究了Spar平臺主體垂蕩-月池流體耦合運動。設(shè)計了可拆卸的月池底部擋板及垂蕩板，針對3種工況：底部檔板全封閉、30%開孔率及70%開孔率，進行了靜水中自由衰減試驗及波浪中強迫運動試驗，分析了月池流體對平臺主體垂蕩運動的影響。主要結(jié)論如下：

1）對比有、無月池時靜水中平臺的垂蕩自由衰減運動表明，月池流體顯著增加平臺垂蕩阻尼。

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

3）較大開孔率時，主體垂蕩RAO有2個峰值，分別出現(xiàn)在月池流體垂向振動固有周期及主體垂蕩固有周期附近。根據(jù)試驗研究發(fā)現(xiàn)，在實際中采用半開口的月池時，應該考慮月池流體對平臺主體垂蕩運動的影響。

［1］GUPTA H，BLEVINS R，BANON H.Effect of moonpool hy?drodynamics on spar heave［C］／／Proceedings of the ASME 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.American Society of Mechanical Engi?neers.Estoril，Portugal，2008：275?282.

［2］KIM M H，RAN Z，ZHENG W H.Mooring coupled dynamic analysis of a truss spar in time domain［J］.International Journal of Offshore and Polar Engineering，2001，11（1）：42?54.

［3］TAO L B，LIM K Y，THIAGARAJAN K.Heave response of classic spar with variable geometry［J］.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2004，126（1）：90?95.

［4］劉利琴，唐友剛，王文杰.Spar平臺垂蕩-縱搖耦合運動的不穩(wěn)定性［J］.船舶力學，2009，13（4）：551?556.LIU Liqin，TANG Yougang，WANG Wenjie.Unstability of coupled heave?pitch motions for Spar platform［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13（4）：551?556.

［5］BARREIRA R，SPHAIER S H，MASETTI I Q.Behavior of a mono?column structure（monobr）in waves［C］／／Pro?ceedings of 24th International Conference on Offshore Me?chanics and Arctic Engineering.American Society of Me?chanical Engineers.Halkidiki，Greece，2005：867?873.

［6］孫采微，楊建民，呂海寧.波浪作用下帶月池結(jié)構(gòu)船體運動數(shù)值預報［J］.海洋工程，2013，7（4）：21?29.SUN Caiwei，YANG Jianmin，LYU Haining.Numerical in?vestigation on motions of vessel with moonpool in wave condi?tions［J］.The Ocean Engineering，2013，7（4）：21?29.

［7］SPHAIER S H，TORRES F G S，MASETTI I Q.Monocol?umn behavior in waves：experimental analysis［J］.Ocean Engineering，2007，34：1724?1733.

［8］TONJE C S.Assessment of critical factors when running and relieving Framo pump modules through moonpool［D］.Sta?vanger：University of Stavanger，2011：31?78.

［9］趙尚輝，劉見華.船底月池流激振蕩特性研究［J］.上海造船，2010，1（1）：35?38.ZHAO Shanghui，LIU Jianhua.Research on the flow?in?duced oscillation characteristics in the moonpool［J］.Shang?hai Ship Building，2010，1（1）：35?38.

［10］Global performance analysis of deepwater floating structures［M］.Oslo：Recommen Depractice DNV，2010：18?19.

［11］李積德.船舶耐波性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1981：144?145.

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)出版時間：2015?01?09.基金項目：國家自然科學基金資助項目（51179125）.

劉利琴（1977?），女，副教授，博士.

劉利琴，E?mail：liuliqin＠tju.edu.cn.