多点系泊FPSO水动力分析资料

江苏科技大学本科毕业（）学院船舶与海洋工程专业船舶与海洋工程学生姓名朱浩班级学号1040101439指导教师施兴华二零一四年六月江苏科技大学本科毕业论文多点系泊FPSO水动力分析FPSOmooringsystemofhydrodynamicanalysisofmulti-point江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称：船舶与海洋工程专业：船舶与海洋工程学生姓名：朱浩学号：1040101439指导教师：施兴华职称：副教授毕业设计（论文）题目：多点系泊FPSO水动力分析一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1.提供的条件：FPSO基本结构、参数，海域波浪参数，计算机及计算软件等2.毕业论文的内容与要求：（1）掌握水动力的相关理论（2）学习海洋平台分析软件Sesam，并掌握其水动力分析方法（3）利用Sesam软件建立FPSO模型，并对所建模型的进行响应计算（4）考虑多种波浪工况，结合水流及风载荷，对于系泊系统下FPSO水动力响应进行分析二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3.其它(根据课题性质、类型确定)。三、完成日期及进度3.31-4.13收集相关资料，学习水动力理论；4.14-4.27学习有限元软件Sesam，并掌握其水动力分析方法；4.28-5.11利用Genie软件建立FPSO模型；5.12-6.1对所建模型的进行水动力计算；6.2-6.9进行多点系泊FPSO水动力参数分析，完成论文。四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1．由际昆，王言英.深水半潜平台绷紧索系泊系统设计研究[J].中国海洋平台,20092．王宏伟，罗勇，马刚.深水半潜式钻井平台纤维材料系泊研究[J].船舶工程2010,32(3)3．范亚丽,吴宝山,缪泉明.张紧式系泊方式对深水半潜平台性能影响研究[J].中国海洋平台,20104．童波,杨建民,李欣.深水半潜式平台系泊系统动力特性研究[J].海洋工程,2009,27(1):1-7.5．DetNorskeVeritas,SIMOtheorymanual[R].2009:26-27．系(教研室)主任：（签章）年月日学院主管领导：（签章）年月日摘要随着全球石油需求不断增加，陆上油气资源日益枯竭，海上石油及天然气勘探工作已经有了一段时间后，到了深海，开发深海以及超深海的海洋平台项目是未来的发展方向。我们对能源的需求，特别是石油是非常大的，我国目前是高度依赖于，自我独立，自我发展，一直是我国的重要经济策略，因此我国一直积极参与国外的海上石油和天然气的勘探和开发项目。这是本文研究的背景，主要是针对西非海上石油和天然气开发模式，多点系泊FPSO浮式结构物，涌浪，海浪数值模拟环境下进行的理论分析的同时作用的研究。进行了多点系泊FPSO水动力分析，这是在涌浪和风浪联合作用的海洋环境下开展的。在波浪中的低频运动响应的FPSO垂直和水平移动，涌浪成分下的响应差异：其中的浪涌控制的垂直运动;水平方向低频运动，以及由海上和涌浪引起的慢二阶力影响漂移的力量。在西非沿海水域，浅海和该地区深部大型海上石油和天然气开发模式，是在选择目标FPSO和穿梭油轮卸油浮筒匹配为主要研究对象的基础。分析在深水环境中的流体动力性能的单一以及多点系泊浮筒的，因为浮体的质量更小，由系泊系统和其他动态粘度的影响较大，使用了耦合计算，能够更为准确的计算分析水动力性能以及各个自由度在不同的波浪成分下的运动响应。为了满足海外发展的需要，在西非水动力环境的双方向下的涌浪和风浪的浮式结构的创新研究;对西方的石油和天然气开发模式的工作原理主要是在多点系泊FPSO，在这两个方面的同时作用涉及到海洋和周围涌浪缓慢漂移力和低频运动的二阶水平诱导有效的计算方法;并分析了浮标和穿梭油轮耦合平面运动的一般规律，为以后的工程实践提供建议。关键词：西非海域,双方向涌浪和风浪,多点系泊FPSO,水动力性能,时域耦合分析AbstractWithglobaldemandforpetroleumisincreasing,onshoreoilandgasresourcesaredepleted,offshoreoilandgasexplorationforsometime,tothedeepsea,isanultra-deepoffshoreoilandgasprojectsinthefuturedirectionofdevelopment.Ourdemandforenergy,especiallypetroleumisverylarge,andthehighimportdependence,self-developmentandparticipationofforeignoffshoreoilandgasexplorationisoneofChina'smajoreconomicstrategy.Thepaperasabackground,themainrepresentativefortheWestAfricanoffshoreoilandgasdevelopmentmode,multi-pointmooringFPSOfloatingstructuresonbothsidestoswell,wavesnumericalandexperimentalstudyofthejointdistributionofresponseenvironmenttheoreticalanalysis.Obtainedintheanalysisofboththeincidentwave,aslowdrifthorizontalforcecomponentcanbedividedintofour,whereineachofthetwowavesupfromcontributionsfromtheothertwopartsofthecouplingofthewaveindifferentdirections.Theformertwofloatingbodiesinthecalculationofthelow-frequencyresponsecannotbeignored;whilecouplingduetothesmallWestAfricanseaandswell,theanalysisfoundthatinthecalculationcanignorethispartofthecoupling.Conductedasensitivityanalysisparametersswellangleofincidence,spectralpeakperiodandtypeofeachfactorontheFPSOfreedomofmovementresponses.Rollandswayinresponsetothepeakperiodoftheswellcycledoesnotchangewithchange,butalwaysmaintainingitsnaturalperiod.Heaveandpitchresponsecycleisconsistentwiththeswellperiod,theperformanceoftheforcedvibration.ChangesinspectraltypewavespectrumfactordoesnotaffecttheresponsecycleFPSOmovement,butthelargertheslowdriftofthehorizontalforceandhorizontalmovementinducedimpact.Keywords:WestAfricanwaters,thepartiestotheswellandwaves,multi-pointmooringFPSO,hydrodynamicperformance,coupledtimedomainanalysis目录第一章绪论 11.1概述 11.1.1海洋油气资源的开发概述 11.1.2西非海洋油气资源概述 11.2FPSO平台简介 11.3涌浪及相关浮式结构物水动力性能的研究与进展 31.3.1与风浪的同时作用及其对浮式结构物水动力的研究 31.3.2系泊浮式结构物耦合分析方法研究 41.4本文主要研究内容 51.5本论文的创新性与研究意义 6第2章数值计算基本理论 72.1坐标系定义 72.2控制方程和边界条件 72.3浮式结构物在波浪中的运动 82.3.1频域的分析方法 82.3.2时域耦合计算理论 92.3.3时域耦合运动方程 92.3.4波浪载荷 92.4本章小结 10第3章西非海域环境分析 113.1西非海洋环境简介 113.1.1海上风的作用 123.1.2飑 133.1.3海浪 133.2涌浪和风浪的差异 133.3西非海洋平台应用 143.4本章小结 15第4章涌浪和风浪环境下多点系泊FPSO响应分析 174.1FPSO水动力性能计算 174.1.1边界元模型及耦合分析模型 184.1.2多点系泊FPSO频域分析结果 184.1.3幅值响应算子RAO 254.1.4一阶波浪力传递函数 284.1.5二阶波浪力传递函数 304.2不同涌浪方向下FPSO系泊影响分析 324.3系缆根数对系泊性能的影响 374.4本章小结 37第5章总结与展望 39致谢 40参考文献 41第一章 绪论1.1概述1.1.1海洋油气资源的开发概述全球石油和天然气资源的开发，世界石油和天然气海洋的资源的一个重要来源的新领域。在我们丰富的石油和天然气储量在领海资源。据有一定的勘探结果，天然气资源在中国领海量已经发现，达到106000亿立方米，达到27.53亿顿石油资源,在过去10年中，中国的新的石油和天然气产量近一半来自海洋，近海石油和天然气资源的勘探和开发还有很大的潜力，因为中国南海等海域目前的发展水平还很低。设备辅助船舶海洋工程装备，生产设备和钻井类类是主要的三大类，而且还成为开发海洋能源载体。固定（如导管架平台）和浮式生产种类是有两类设备。无法动弹的固定式平台特性，由于随着海洋资源的开发，这导致了向更深海域迈进导致逐渐减少的市场需求出现。目前，主要的海上生产设备是浮动平台。浮动式的平台是浮式生产储油船（FPSO）、自升式平台、张力腿平台（TLP）SPAR平台、半潜式平台。其中，FPSO一直因为其边界油田优势，在深海油田开发中得到了大力的发展。1.1.2西非海洋油气资源概述在世界海洋石油工业的快速发展的今天，为了寻找新的石油和天然气资源，各个国家的石油公司已进入深水和超深水油田，使得深海油气田的开发，成为科学界在工业史上最为热点的话题之一。西非海域，坎波斯盆地，巴西，美国墨西哥湾是世界上石油和天然气资源开发的三大热点地区，深水油气勘探开发随着科技的发展不断有新的发现。其中，在安哥拉深水的西非海域，Total公司在八个油气田在17区域发现了，7个油气田在14区域发现了，埃索公司共六个油气田在15区域发现了，埃克森美孚公司在该区域同时还发现了其他12块油气田，三个油气田被BP公司的人员在18区域发现了;自1995年以来在尼日尔三角洲深水，Bonga，Ngolod和其他几个油气田陆陆续续被发现了;深水勘探开发工作同时在赤道的几内亚和加蓬地区也得到了蓬勃的发展。1.2FPSO平台简介FPSO被称为浮式生产储油卸油船，浮式生产储油装卸油轮，是集生产，仓储，卸载和在海上漂浮等一系列功能于一体的现代化工业产物。通常永久停泊在特定的工作是FPSO的特点，在恶劣的海况下不可能像运输船舶那样可以实现躲避，所以安全性和作业效率是FPSO的关键点，而环境因素对它有着很大的影响。随着海上油气的卡发、深海领域的生产不断扩大，与其他海洋钻井平台相比较而言，FPSO有着得天独厚的条件，以下五点是主要方面:FPSO若是由油船改造而成优势显著，它的生产系统投资和产出更加快，投资金额也更低。当前工况适宜的大型油轮是很容易找到的，而且它们的船龄一般不会很高。宽阔的甲板面积，承载能力和抗风浪环境能力强，都是生产设备布置的有利条件。石油存储容量大，船上的原油可以定期通过卸油装置导入输油船舶中，这样既安全又快速，FPSO不仅可以与穿梭船舶串联在一起，还可以提供一定的系泊基础。FPSO的建造周期缩短，逐渐向着模块化发展。早期的FPSO一般建在时间在一年半以上，都是在船体基本建造完成之后，将各种生产设备、热站还有主电站安装在甲板上。新型动力配置的设置给系泊的定位提供了条件。多点辐射状系泊是新FPSO的主要形式，同时多个侧向推进装置在船舶的首尾都有配备。锚链和钢缆的组合方式多为多点系泊采用，抑或是采用高强度的聚酯纤维和锚链相结合，这样子具有高强度的防腐蚀性能。目前新建的FPSO装备有足够的动力系统，这是根据目前的作业要求和船舶尺寸决定的，为了保证船舶在正常航行的同时，不失去在恶劣的风暴环境下生存的能力，因此改用了侧推的螺旋桨技术，这样子，大尺寸的船舶就能够兼顾这两点。降低燃料消耗，回收利用。FPSO在过去没有能力处理天然气而又不值得铺设海底管道运输天然气的时代，只能够将其从原油中分离出来，通过外置的火炬装置焚烧，这样子天然气的只能白白浪费。而现在世界已经有了这一技术，能够成功的将天然气进行压缩，通过罐装的方式用船舶运输。石油产能的不断强化。“Norne”号FPSO是挪威国家石油公司委托新加坡远东利文斯顿船厂建造的，该FPSO的处理能力可以达到原油每日3.5万立方米;大宇船厂在05年接到了全球最大的一艘FPSO订单，该船的作业区域可以达到1400M水深，存储大概2160000桶原油，与此同时，它的造价也是相当的惊人，高达9.78亿美金。各国争相发展新概念的FPSO。LPGFPSO的概念是在为解决环境污染，提升环保属性的环境下提出的。世界上第一艘LPGFPSO是在石川岛的播磨重工基地建造的，这家公司隶属日本，该公司提供给瑞士一家公司在新概念船舶上单点系泊技术，并洽谈采购和建造相关事宜。同时，FDPSO也是新的概念，人们试图将油气钻井设备并入其中，高度的集成化有利于工作效率的提升。1.3涌浪及相关浮式结构物水动力性能的研究与进展1.3.1与风浪的同时作用及其对浮式结构物水动力的研究西非海域有着较为明显的可观测波形，这是它区别于其他海域的重要特征，其他海域长周期涌浪和短周期风浪没有那么明显的可观测波形。最近一些年，有很多的学者对西非海域涌浪的产生机理、对风浪的影响还有平台的影响做出了大量的研究。Violante等[1]根据投放在深水海域的测量浮筒，测得大量海洋涌浪数据，对其进行了充分的数据分析，研究涌浪对风浪的影响结果。数据表明，两者之间没有显著的关系，进而他提出了风浪和涌浪的能量关系，这为后来的人研究海洋工程提供了相关数据参考。Jose-Henrique等[2]提出了一种分析手段，用于研究风浪因涌浪而生成而产生的影响，这是基于数值模拟的结果，是在风生浪的海洋环境发展过程中提出的。第一，模拟风浪的环境是由风场提供的，但是在其他海况下，是不需要提供风场的。因此，向着任意方向传播涌浪就会在特定的海域相应形成。对涌浪的传播机理有着深刻的认识，是因为他给出了在相关海域的一系列具体模型，为不同涌浪的产生提供具体的数据模型。Elzbieta等[3]对于西非海域的涌浪、风浪联合作用的海洋环境，如需描述波浪环境，需要用到双份谱。当然，前提是这个海况相对温和。如果是应对恶劣的海况，就可以使用JONSWAP或者PM波谱对海洋工程进行水动力研究。同时，这样的海况对于固定、浮式和输油终端有着不可忽视的作用。通过对西非尼日利亚海域的实际海况与通过Torsthaugen模型对比，提出了联合波浪谱的方法，对于模拟环境的谱峰周期和波高研究有着一定意义。之后，Elzbieta等[4]，针对风暴，环境研究的结合涌浪很多不确定性的模拟研究，并进一步给出了风暴潮环境描述尼日利亚海域的特定组合，以提供实际的环境中，结合海洋工程操作研究。分析发现，如果涌浪和海浪存在，利用一个单一的模拟频谱是海况将得到更坏的结果不能在海洋工程中使用。Nerzic等[5]对西非的深海水域，海洋环境的研究已经有了三年的数据积累，分析了西非海域的风，浪，流等环境中的分布和组合，包括能量和方向的变化，尤其是其中关于主要的涌浪还有次要涌浪，并与风浪同时作用，包括他们的普朗周期，有义波高，峰峰因子和方向。此外，分析发现，它们之间存在的内在联系，并在此基础上提出了波的分布规律，为海洋工程研究做准备;最后，他们建立了数据库，用于研究浮式结构物。与此同时，提出了相关预测，提出有义波高、流速和风速。Zhanglei等[6]人对西非海域双方向风浪、涌浪同时存在情况下的低频慢漂力的四个成分进行详细研究，他认为低频慢漂力主要来自风浪、涌浪各自的贡献，风浪、涌浪相互影响的成分较小，可以忽略不计；另外也证实在深水中Newman近似能很好地估算出西非双方向涌浪、风浪产生的二阶低频慢漂力。Violante等[7]人在系泊于深水海域的浮筒上进行测量，得到大量的实测数据，并对涌浪进行研究，研究了涌浪对风浪的影响，主要包括新产生的涌浪对成熟涌浪和风浪的影响。结果表明，涌浪对风浪并没有产生明显的影响，并提出一种涌浪、风浪的能量关系，为进一步的研究奠定基础。Zhao和Wu等[8]人认为，通常情况下单一的波浪散布图可以用于作用于浮体上波浪极限载荷的长期预报，但在西非、巴西这样不同风浪、涌浪同时存在的海域，常规的做法就行不通了。他们提出了一种涌浪、风浪同时任意存在的波浪环境模拟方法，同时还引入了两个波浪谱参数用于控制风浪和涌浪，在此基础上还分析了FPSO极限波浪载荷和船体梁极限弯矩。Zhong等[9]人分别针对西非海域不同的环境条件即以涌浪为主导、以流为主导、以飙风为主导所对应的FPSO等大型浮式结构物的水动力性能进行研究。Elzbieta等[10]人认为当海洋环境相对恶劣时，使用单一方向单一JONSWAP或者PM谱能有效的模拟浮式海洋结构物的水动力性能，但在海洋环境相对温和的海域，例如西非涌浪、风浪同时存在的海域，使用双风谱才能较为准确的模拟海洋环境载荷，并且这种风浪、涌浪共存的海浪环境对浮式结构物的影响是不可忽略的。他们通过使用Torsthaugen模型，提出一种可以同时模拟涌浪、风浪的联合波谱，并与西非尼日利亚海域风浪涌浪同时存在的环境进行对比，结果吻合良好。Fontaine等[11]人针对西非海域某一生产运营的FPSO使用直接模拟的方法有效的计算了船体运动响应及系缆动力响应，并提出了一种响应的模型，将数值模拟数据与实验数据对比，结果吻合良好，并使用这种响应模型外推出响应极值。1.3.2系泊浮式结构物耦合分析方法研究Wichers[12]最早对浮式结构物的动态响应进行研究，它采用时域的方法对一处于风、浪、流联合作用下的FPSO进行了水动力性能分析。Lee和Choi[13]同样采用非耦合的方法计算了FPSO原油外输工况时对应FPSO及穿梭油轮的水动力性能。然而，其他很多学者对非耦合分析方法的精确度提出了质疑，认为这将会给系泊浮式结构物水动力性能的分析带来较大误差[14]。因为在非耦合分析中系缆的惯性力和阻尼力被直接忽略掉，但在实际情况下，这些力是非常重要的，特别是在深水的情况下。此外，浮体的运动响应中一阶波频响应与二阶低频响应是相互影响的，也不能分开考虑。所以越来越多后来的学者将注意力放在了耦合分析中。Lowa和Langleby[15]提出一种新的计算方法，他们认为由于存在几何非线性和水动力非线性，整个系统的共振频率与波浪频率是相近的，具有耦合效应，应采用耦合分析方法进行研究，考虑到非线性影响的大小，将二阶波浪力引起的低频响应进行时域耦合分析，而波频运动由于受非线性影响较小则采用频域分析方法，他们利用这一方法对某一FPSO进行研究，并将计算结果与全耦合的数值模拟结果进行对比分析，结果表明，新提出的方法具有较好的准确度，并且大大压缩了计算时间。冯爱春[16]研究了海洋平台与系缆及立管之间的耦合效应，研究表明：如果忽略立管的影响，将会低估平台的运动性能，高估系缆的张力。赵战华[17]研究了深水半潜平台张紧式系泊系统，并与悬链线式系泊系统水动力性能进行对比，然后分析了系缆根数、预张力、夹角等对系泊性能的影响。目前，以全时域耦合分析方法为理论背景的大型商业软件已经趋于完善，其数值模拟结果与模型试验对比都有较高的精确度，例如：DNV/SESAM、TAMU/HARP、BV/HydroStar、MARIN/DYNFLOAT、ANSY/AQWA等。本文即采用DNV/SESAM进行相关数值模拟的分析计算。1.4本文主要研究内容本文的研究内容是基于国家重大技术装备研制和重大产业技术开发专项“30万吨深水浮式储油装置（FPSO）设计建造技术研发及产业化”子专项《深水FPSO系泊系统方案设计研究》展开的，主要针对西非海域及南海海域工作的FPSO进行水动力性能分析，研究不同系泊方案对系泊性能的影响。具体来说，可以分为以下几个方面：1. 海洋平台现状和西非海洋环境分析特别是在沿海其他水域具有不同属性的背景下，西非海域风的详细研究，海浪，骤升和电流，其特点相结合;与此同时，西非海域，目前浮式生产平台生产作业的特点进行了总结。努力为客户提供相关的数据为基础，并参考了西非海域漂浮的平台适应性分析。2. 浮式平台西非海洋环境适应性分析根据西非海洋环境和平台的适应性分析的现状和选定在典型的半潜式平台西非海域和列平台，提供咨询和选定的西非海域石油和天然气生产参考。研究方法数值模拟。3. 涌浪参数对FPSO水动力响应的影响对占主导地位的响应的分析的基础上，为了得到FPSO浪涌在不同的环境中更普遍，更详细的响应特性，展开FPSO变更涌浪参数响应下的影响，在实际应用中提供了一些帮助工程说明。西非海域FPSO多点系泊布置方案设计首先将FPSO分别单独置于风浪环境、涌浪环境，研究了不同波浪对运动响应的影响及对其力学机制进行了分析；然后将FPSO置于风浪、涌浪同时存在的环境，研究了系缆根数对系泊性能的影响。1.5本论文的创新性与研究意义在我国起步较晚深水油气开发，钻井技术与设备具有自主知识产权，是目前严重不足，并在国际深水油气开发形势蓬勃发展不协调，技术的不足严重制约了我国在深海领域的石油和天然气的开采，国内的海洋工程企业与外企合作时总是处于不利地位。目前，沿海水域仍主要集中然是300米以下深度的石油和天然气资源开发。因此，这项研究对于我国有着非常重要的作用。只要关键技术支持深水油气勘探、研究和开发，深海石油和天然气的开采，不仅可以解决国内能源紧缺问题，同时也可以为我们的海洋工程企业参与国际竞争提供帮助。本文先进主要体现在：1.对于西非海洋环境，，在已知水域进行适应性分析，对制定了不同形式的西非石油和天然气平台进行比较。为未来在西非深水油气开发项目研究和设计提出了一个相对的意见和建议。2.对于涌浪、风浪同时作用的西非特殊环境,通过数值计算，对于一个多点FPSO系泊的各个方向的响应特性的分析，给出了各方入射波结构下的低频二阶波浪力和计算诱导运动;而在涌浪响应下，获得了更一般的FPSO响应特性分析的参数。第2章数值计算基本理论2.1坐标系定义本文包含三个计算坐标：右手直角坐标系根据定义,随体坐标系——XL;相关坐标系——XR;大地坐标系——XE;如图2-1所示。与主体坐标系固定在浮式结构，随着浮体的运动，原点位于重力浮动结构的中心。轴的坐标系始终与大地坐标相关联的轴平行，但是在浮动结构固定焦距的起源，通常用于描述对象的旋转。大地坐标系固定在水平平面中的流场，xy平面与静水面重合,z轴按照右手法则定义。图2-1坐标系定义2.2控制方程和边界条件对于波浪与浮体的相互作用问题，海水介质可以假定是匀质、不可压缩和无粘性的理想流体[18]。在此前提下，浮体在波浪上的运动问题，可以在势流理论基础上加以处理，其中关键的是流场中速度势的求解。假设在非定常速度势为Φx,y,z,t,速度矢量Ux,y,z,t满足Ux,y,z,t=∇Φx,y,z,t（2.1）由拉普拉斯方程∇2Φ=0（2.2）如需求解上述方程，需要以下边界条件: 结构物表面的边界条件,物面为S表示，法相方向用n表示∂Φ∂ns=Us（2.3） 液体自由表面的边界条件∂2Φ∂n+g∂Φ∂z=0z=0（2.4） 无限远处的边界条件海洋底部的边界条件：水深用H表示∂Φ∂nz=-H（2.5）对于辐射势和绕射势，可以采用格林函数法[19,20]来求解。2.3浮式结构物在波浪中的运动2.3.1频域的分析方法频域方法[21]适合于线性或者是拟合线性的水动力方程的求解，从而求得频域响应函数。 入射、绕射与辐射势由三维势流理论求的入射、绕射、和辐射势,依据公式积分得到:Px,y,z,t=-ρ∂Φ∂t-ρgz（2.6）由此可以得到压力分布P，对其表面进行积分可以得到总的作用力，总的作用力由三部分组成，第一是波浪激励力，第二是流体的反作用力，剩下的那个作用力为静回复力。在这三个力当中，波浪激励力由两个部分组成，第一部分是由入射势带来的压力积分求得的，第二部分是由绕射势引起的压力积分求得的:在计算的过程中，需要将浮式结构物固定住，这样就会在海洋环境下受到波浪的力和力矩。其中波浪力是由于未受到干扰的力以及海洋结构物的存在而生成的绕射力组成的。在不考虑入射波浪的前提下，附加质量和附加阻尼成为了这一水动力载荷的最好解释。 附加质量、阻尼浮式结构物在非定常的运动过程中，由于物体运动作用于周围的水而使之得到速度和加速度，故水对物体产生反作用力FR。FR包括与运动加速度成正比的附加惯性力和与运动速度成正比的阻尼力，其比例系数分别称为附加质量系数和阻尼系数[22，23]。按照线性势流理论，流体动力FR的表达式为FR=-uX-λX(2.7)式中，u为附加质量矩阵；λ为阻尼系数矩阵。由上式可以看出，附加质量和阻尼载荷是由于海洋结构物做强迫谐振动所引起的稳态水动力及力矩。附加质量系数和阻尼系数是流场中海洋结构物形状、振动频率和相对于流体速度的函数，与流场的深度和广度也存在一定关系。附加质量系数和阻尼系数均由一个6×6的矩阵表示。本文主要分析对浮式海洋结构物水动力性能起主要作用的主对角线上的6个系数。附加质量系数以Uii表示，U11、U22、U33分别表示纵荡、横荡、和垂荡三个运动模态的附加质量U44、U55、U66代表横摇、纵摇和艏摇三个角运动的附加惯性矩。附加阻尼与附加质量的表示方式相类似。2.3.2时域耦合计算理论利用频域法分析浮式海洋结构物的水动力性能是经典的方法，然而频域法并不能预报从某一时刻以后一段时间内浮式结构物的水动力性能（浮体运动响应和系缆动力响应），所以为了准确模拟浮式结构物在实际海况中的变化，必须采用时域法来模拟。本文利用卡明斯理论，将规则波频域计算出的水动力参数，通过频域转时域的方法，建立浮式结构物时域运动方程，并与系缆动力响应方程耦合，计算出实际海况下真实的浮体响应。2.3.3时域耦合运动方程浮式结构物在风浪上的运动经过摄动分析后，可以分为一阶小幅运动响应和二阶大幅运动响应，即浮式结构物的响应可以分为高频响应和低频响应两部分，并且两者互不影响。低频响应即指大幅的慢漂响应，高频响应可以理解为低频响应基础上的微幅振动，即高频运动的平均位置为低频响应位置，因此时域运动方程在求解时分为低频响应部分和高频响应部分两部分来求解。其高频部分运动方程[24]为：Mij+μijx1+0∞Kijτxj(1)t-τdτ+Cijxj(1)=Fimoor+Fiwave(1)(2.8)其中，K延时函数矩阵，M是质量矩阵，μ是附加质量，xj(1)是j方向波频运动，C是恢复力矩阵，Fimoor是系泊力，Fiwave(1)是一阶波浪力。2.3.4波浪载荷 风载荷由于海洋结构物的存在，当海风经过海上结构物工作的区域时，气流流速和流向将发生改变。因此，气流对建筑物的动压力将随其位置的不同而不同，在物体迎流面承受正向的风压力，在物体的背面，因为气流分离使物面承受负向的风压力。风载荷的计算是基于瞬时风速和结构物速度，风力大小如下式所示，其风载荷计算公式[25]为Fwind=12CdwρaAa2UMwind=CdwρaAa2U（2.9）其中第一项为力，第二项为力矩，U为风相对于浮体运动的相对风速；ρa为空气密度；Aa为浮体在风速方向上的投影面积；L为力作用点到平台重心的距离。Cdw为风阻力系数，本文中的风阻力系数根据CCS颁布的《海上单点系泊装置入级与建造》确定。 流载荷海洋中流的种类很多，有海流、潮流、漂流、密度流、地转流等。海流的变化比较缓慢，在对海洋平台的数值分析中常将海流视作为稳定的流动。流对平台产生的力及力矩由下式[25]计算：Fcurrent=12CdcρwA2VMcurrent=12CdcρwA2V(2.10)2.4本章小结结合以上理论分析，下面给出本文系泊浮式结构物非线性时域耦合分析方法：1）利用辐射理论，结合面元法，在频域内计算平台浮体的附加质量及阻尼系数，然后确定频率无穷大时的附加质量，并利用时频转换方法，确定延迟函数；2）利用绕射理论，结合面元法，在频域内计算平台浮体的一阶波浪力传递函数；再结合远场法或近场法等方法，在频域内计算平台浮体的二阶定常波浪力，并以此为基础用Newman近似法估算浮体所受的二阶低频慢漂力；利用时频转换方法，结合实际波谱，在时域内计算平台浮体的一阶/二阶波浪力；3）根据给定的风速、风系数和流速、流系数，结合受风面积和流载荷作用面积，计算得出风流载荷大小；4）将浮体运动方程与系缆动力方程联立，在每个时间步长内迭代求解，记录在分析时长内每一个时间点对应浮体的运动响应和系缆的动力响应。上述四个过程均在SESAM的HydroD/Wadam[26]和DeepC[27]中完成。第3章西非海域环境分析3.1西非海洋环境简介自上世纪八十年代以来，非洲西海岸成为了能源界的新大陆。随着海洋平台不断的向着深海发展，西非海域的石油和天然气资源的到了世界的关注。在中东依旧是第一大原油出口地的同时，我们的南半球，非洲大陆，已经跃居世界第二的石油出口地。在世界各国争相进去这一活跃地区的大环境下，我国的三大能源公司：中石油，中石化，中海油也和当地有着密切的合作关系。他们正在以各种各样的方式进入这一领域。相信，在不久的将来，西非将成为世界上最大的原油输出地，超过其他地区，成为最值得投资的地区。图3-1为西非海域主要的油气分布位置图3-1为西非海域主要的油气分布位置从大西洋到印度洋，西非海域提供给海洋工程可以利用的地理范围相当大，海岸线超过四千多海里，可供开采的水域已经达到了3000多米水深。在这一大环境下有许多国家活跃着，主要是七个国家，包括:安哥拉、科特迪亚、几内亚、刚果、加蓬。为了保证石油和天然气高速快捷的存储和运输，这不单单是依靠大量FPSO就能够完成的一项艰巨任务，还需要投入巨额资金用于输油管线的建设。对于特殊的地理环境，需要我们做出相应的变通，采用有针对性的技术来解决地域的限时。主要包含以下几个方面： 如果是在浅水领域，需要多个钻井设备同时开采进行储油，如果是在深水领域，则只需要通过一个钻井设备与其他设备进行对接。依据不同的水域采用不同的开采方式，不仅是分布范围广泛，更是因地制宜的体现； 如果市场没有想象中那么理想，则人们不会铺设足够的基础设施用于油气的管道运输，这就导致了开采的原油只能够在油田里面进行暂时的存储或者是卸载； 通常情况下，石油和天然气是混合在一起的，这就需要进行油气分离处理，然而本地的市场通常没有能力消耗这么多天然气，导致大量的天然气浪费，同时造成环境污染； 由于非洲的工业落后，导致当地的基础设施无法跟上时代的步伐，而要建造海上钻井平台，需要符合国际公约，这就导致了复杂的施工还有执行的不便。为了能够在西非海洋环境下进行石油和天然气的勘探以及开采活动，需要我们对当地的环境进行细致的分析研究，比较风、浪、流还有就是洋流对海洋平台的作用。3.1.1海上风的作用西非靠近赤道的部分属于低压区。因此，在南北方向上，大气辐射压力逐渐升高，该信风是南北赤道辐合带，这里的风力通常比较弱小，风的方向不能够确定，在一般情况下，没有高强度的风力作用，相对温和。东北信风和东南信风相互作用，在赤道两侧形成3-4级的风力，这是形成洋流的关键。但是在高纬度地区，南北方向的季风和地面形成锋面和气旋，这会造成恶劣的天气影响。暴风雪会在严寒的天气出现，纬度较高时，则会形成危险的海浪。这对海上石油和天然气的开采带来了极大的不便。图3-2为西非海域表面气流循环。图3-2西非海域表面气流循环西非赤道地区，一般来说，海风相对较弱，但由于几内亚湾季风弱，在6-8个月连续陆上风。西非南部海域，主要是风是南风或东南风在10月至4月达成最强的。在一些地方，再往南，在距离中纬度地区的夏季也受低压;风的力量在这个时候，甚至更大的风暴。3.1.2飑首先，气象学专家给颮做了如下定义：它是一种强风带，通常在强冷风或者是积雨云前面出现，范围较窄。当它经过时，通常伴有降雨，风速会增加很多，它的风向也会改变许多，不再沿着原来的方向前进。在世界范围内，飑主要集中在以下几个国家或地区：阿根廷，中美洲，东印度洋，北美，东海岸和西海岸非洲。世界气象组织于1962年开展了飑的规定，必要的条件如下：有至少一分钟以上，风速超过8米/秒以上，但也能满足最大风速超过11米/秒。其中图3-3是海洋上的典型飑线，图3-4为海洋工程中可能遇到的颮。图3-3海洋上的典型飑线图3-4海洋工程中可能遇到的颮许多学者分析了飑及其浮动海上结构物水动力性能，挪威船级社海洋工程规范也做了飑有关规定的影响，根据系泊浮式结构的计算规定时，系统必须考虑的影响的飑在时域分析。3.1.3海浪西非海域的海浪相对于其他海域有着更为温和的海洋环境，它的有义波高更小。但是西非海域的低频能力较高，所以主要以低频作为主要研究对象。西非海域涌浪的形成更复杂。如果是在冬天，涌浪主要是来自北大西洋，这些涌浪是从北部以及西北部传递过来的，如果是在夏天，那么它们有可能来自太平洋海域。当然，不排除它们是由于飓风引起的。在几内亚湾，只有涌浪是从南大西洋中纬度低压，一直追踪到在南非好望角。这些涌浪非常薄弱，但传播一定距离后，已经充分发展。在每年的5月同时激增至10月是最强的。3.2涌浪和风浪的差异风浪所谓的风浪，是一组本地产生的波列。这些波是短峰波列，波峰长度一般情况是表面波高的两三倍左右。除此之外，这些风浪极不规则，有可能显示小浪接下来是大浪，也有可能先是大浪接下来是小浪。它们的传播方向也会发生一定的偏移，每个波峰都会发生偏移，每次偏移的角度大概在10°左右，这些波峰表面有时会附带微小的波浪，由此可以看出这些波峰相当的尖锐。涌浪涌浪是指在局部风场中产生的风浪，经过一定时间的传播，离开了发源地的波浪。涌浪不同于其他波浪的关键在于，它能够依靠自身的能量传播到数百公里以外。与风浪比较，每一个独立的涌浪有着较为规则的图形。与此同时，涌浪的波峰更加圆润。涌浪的能浪大小也有着鲜明的对比。当涌浪大时，某一定点会有至少五个以上的波列通过，当涌浪小时，能够在波面做不规则升沉运动时，维持至少一分钟以上的低浅运动。表3-1为风浪和涌浪的对比。表3-1风浪和涌浪的特性对比涌浪风浪周期15～22S5～15S谱型谱型较窄，谱型因子3~6，能力集中能量分散,谱型因子1.0~3.3传播形成后不需要外力形成后需要外力，如风力形状规则不规则除了上述的不同点，从理论上分析，风浪的周期一般比较短，只能够带动水表面的粒子运动，涌浪的周期一般比较长，因而会引起水面以下的粒子运动。由于一些海洋平台的型深较大，而这一类型的海洋平台会设置制荡板，这些制荡板直接与水面以下的水粒子作用，因而生成严重的制荡响应。3.3西非海洋平台应用在已知的西非海域中，石油和天然气的开发依旧是在近海领域，海洋平台的可作业区域大概在26～2000米水深。目前主要的开采设备依旧是以FPSO为主，这些平台主要集中在以下四个国家：安哥拉、几内亚、尼日利亚、刚果。FPSO的总数大概在40多座。其他海洋平台数目较少，只有少数的TLP和SEMI。FPSO在西非取得了巨大的成功，原因是FPSO制造成本低，制作周期短。除了本身优良的属性外，FPSO还能够很好的抵抗风浪载荷。与固定式海洋平台相比，可以移动作业区域更是不可忽视的优点。综合上述优点，FPSO给各个国家的投资者带来了丰厚的利润。在西非海域的FPSO应用具体分布位置如图3-8所示。西非海域跨度很大FPSO工作深度，在28〜1980米深度范围。其中，更大的超过500米的深水浮式生产储油共24工作深度。在这些FPSO，每日最高产量达每天25万桶，达210万桶的最大存储容量。在西非海域，浮式生产储油使用各种多点系泊系统和单点系泊等方法固定在停泊水域生产，这是最重要的多点系泊系泊方式，一共有27个FPSO的采用了多点系泊方式，用单点系泊方式是其余16艘FPSO。在单点系泊，共九个FPSO系泊外转塔。其中表3-2为目前西非海域浮式生产平台应用分布，图3-5为目前西非海域FPSO应用分布。表3-2目前西非海域浮式生产平台应用分布FPSOSEMI/FPUSparTLP数量43104作业水深/-m28～19802034/271～1178位置SeeFig.3-8刚果/安哥拉,几内亚作业者各主要石油公司Total/Exxon,Hess等图3-5目前西非海域FPSO应用分布3.4本章小结本章主要介绍了西非海况不同于其他海域的鲜明特点，其中以风、浪、流的影响作为主要的阐述对象。并对涌浪和风浪的差异性进行对比，希望给西非海域的平台开发提供一些建议。第4章涌浪和风浪环境下多点系泊FPSO响应分析4.1FPSO水动力性能计算在总结了西非海域的特殊海洋环境的基础上，采用挪威船级社的SESAM软件进行水动力计算以下是所需的海洋环境参数，如表4-1所示。以及图4-1环境入射角度与系泊布置。表4-1海洋环境条件参数数值有义波高/m3.6涌浪谱峰周期/s17.5谱峰因子4角度/deg90有义波高/m2.75风浪谱峰周期/s7.2谱峰因子2.4角度/deg180速度/m∙S-12流角度/deg180速度/m∙S-116角度/deg180图4-1环境入射角度与系泊布置4.1.1边界元模型及耦合分析模型FPSO的边界元模型先采用Genie模块画出，然后再HydroD中生成具体模型,如图4-2所示,这是我们进行频域分析的基础。图4-3是在DeepC中生存的水动力模型，它包含海洋环境参数，FPSO，还有系泊系统。图4-2FPSO边界元模型图4-3FPSO及系泊系统耦合分析模型4.1.2多点系泊FPSO频域分析结果66矩阵是组成附加质量系数和附加阻尼系数的来源，本文给出对FPSO水动力性能起主要作用的主对角线上的6个值。附加质量以附加质量11、附加质量22、附加质量33分别表示纵荡、横荡和垂荡三个运动模态的附加质量，附加质量44、附加质量55、附加质量66表示横摇、纵摇和首摇三个运动模态的附加惯性矩。附加阻尼系数也是同样的对应关系，即附加阻尼11、附加阻尼22、附加阻尼33分别表示纵荡、横荡和垂荡三个运动模态的附加阻尼，附加阻尼44、附加阻尼55、附加阻尼66表示横摇、纵摇和首摇三个运动模态的附加阻尼。图4-4到4-16分别给出了六自由度附加质量系数、附加阻尼系数。图4-4纵荡图4-5横荡图4-6垂荡图4-7横摇图4-8纵摇图4-9首摇图4-10纵荡图4-12横荡图4-13垂荡图4-14横摇图4-15纵摇图4-16艏摇4.1.3幅值响应算子RAO幅值响应算子RAO指的是浮体在某一频率单位波规则波作用下对应浮体最大的运动响应，它能反应浮体水动力性能属性，是计算运动响应时所必需的水动力参数，图4-17至图4-22给出了FPSO六自由度运动响应RAO。图4-17垂荡图4-18纵摇图4-19横摇图4-20纵荡图4-21横荡图4-22艏摇从FPSO的运动幅值响应算子分析，可以得出以下结论：1）针对于某一自由度的运动，个别浪向对应特殊的运动响应，如垂荡的90°波浪力和首摇的45°波浪力作用下产生的响应。说明对于单个自由度来说，影响其响应幅值的不仅仅只有波浪频率，还有波浪方向；2）横摇产生大幅响应的频率域比较窄，在0.35～0.5rad/s之间，波浪频率0.5rad/s以后，响应基本上为0，相对于其他角运动，横摇响应的幅值最大；纵摇、首摇大幅值响应的频率在0.3～0.6rad/s之间，但是首摇在0.75rad/s频率的波浪力作用下还会出现一个响应的小峰值。直至1.0rad/s后逐渐趋向于零。横荡和纵荡在六自由度力响应最为剧烈，并且呈现强烈的低频效应，在0～0.4rad/s之间，产生较大响应，当波浪频率达到0.4rad/s后，逐渐趋向于0。综合西非海域的环境条件，相对于其他海域，它的低频涌浪在很长的周期内一直存在着，因此，海洋平台在低频响应值得引起人们的重视，在FPSO的设计过程中，在生产制造过程中，都需要我们不断计算及测试，以便及时做出改进方案。4.1.4一阶波浪力传递函数考虑波浪与固定结构物的相互干扰，利用绕射理论，求得一阶波浪激励力，包括佛汝德力和波浪绕射力两部分。在线性理论中，一阶波浪力与波幅成正比，频域分析中计算得到单位波幅下一阶波浪力的频率响应函数，通过傅里叶变换逆变换，得到一阶脉冲响应函数，再通过卷积公式即得到一阶波浪力时历曲线，用于非规则波时域耦合分析。由波频部分的时域运动方程可以看出，一阶波浪力中，只有横摇、纵摇、垂荡这三个自由度上的力对浮体运动响应产生较大影响，因此本文只给出了横摇、纵摇、垂荡这三个自由度上的一阶波浪力频率响应函数，如图4-23至图4-25所示。图4-23横摇图4-24垂荡图4-25纵荡由图4-23至图4-25可以看出，各入射方向在垂荡方向的一阶波浪力趋势相近，随着入射波浪频率的增大，相应波浪力不断减小；横摇方向的一阶波浪力对频率变化比较敏感，除了船长方向外均有3～4个峰值，特别是横浪引起的一阶波浪力的最大，所以为了减小横摇的幅度，在船体系泊布置时应尽量减少横浪情况的发生；纵摇方向的一阶波浪力在频率为0.2rad/s～0.4rad/s范围内达到最大值。4.1.5二阶波浪力传递函数二阶波浪力中，只有纵荡、横荡、首摇这三个自由度上的力对浮体运动响应产生较大影响，故本文只给出了纵荡、横荡、首摇这三个自由度上的二阶波浪力传递函数，如图4-26至4-28所示。图4-26纵荡图4-27横荡图4-28艏摇4.2不同涌浪方向下FPSO系泊影响分析在16根系泊的FPSO基础上，保持风、风浪、流的条件不变，改变涌浪的变化，从而比较在0°、45°、90°、135°和180°五个方向上最大系泊张力及六个自由度上的变化情况。如图4-29至图4-所示。图4-29五个方向最大张力比较图4-30五个方向上最大系泊张力差由图4-30知道，当风浪与涌浪夹角在90度时系泊张力最大。图4-31五个方向上纵荡的最大位移图4-32五个方向上纵荡的标准差图4-33五个方向上横荡最大值图4-34五个方向上横荡标准差图4-35五个方向上垂荡最大值图4-36五个方向上垂荡标准差图4-37五个方向上纵摇最大值图4-38五个方向上纵摇标准差图4-39五个方向上横摇最大值图4-40五个方向上横摇标准差图4-41五个方向上艏摇最大值图4-42五个方向上艏摇标准差由图4-31、图4-33、图4-35知船舶在涌浪和风浪成90°时，纵荡、横荡、垂荡响应均是最大的，此时最为危险。4.3系缆根数对系泊性能的影响在系泊水深1500m、系泊半径2765m、系缆长度3325m、双方向涌浪和风浪联合作用的前提下，取8根系缆、12根系缆、16根系缆三种不同的工况进行计算，并进行波频与低频分解。表4-2不同系缆根数下FPSO运动响应统计结果系缆纵荡横荡根数平均值/m标准差最大值/m平均值/m标准差最大值/m8-3.86020.434901-2.78302-0.048451.011675.0744412-3.105230.323767-2.25308-0.033690.8729943.5969416-2.432840.210891-1.19551-0.000720.0315740.090935表4-3不同系缆根数下FPSO波频和低频运动响应统计结果布置方式项目最大值/m标准差平均值/m8根纵荡波频0.3033740.029328-8.38E-05低频-2.814940.433903-3.86012横荡波频2.611460.665722-0.000161低频4.106750.761774-0.04828712根纵荡波频0.3620350.029723-5.54E-05低频-2.286410.322358-3.10517横荡波频2.6044970.667852-0.000142低频3.110780.562126-0.0335416根纵荡波频0.1984460.0289433.38E-07低频-1.659060.224651-2.23008横荡波频2.608920.668787-0.00014低频2.644360.480223-0.028783由表4-2可以看出，随着系缆根数的增加，纵荡、横荡运动响应幅值和标准差不断减小，系统更加趋于稳定；从表4-3可以得出，纵荡、横荡运动响应呈现强烈低频特性，低频响应远远大于波频响应，且随着系缆根数的增加，纵荡、横荡的波频响应几乎不变，而低频响应急剧减小。可见系缆根数的变化，对纵荡、横荡响应的影响主要体现在低频响应上。4.4本章小结本章研究了西非海域单独涌浪、风浪作用下多点系泊FPSO的水动力性能，并探讨了双方向涌浪和风浪联合作用下不同系泊布置方式对系泊性能的影响，得到如下结论：1）低频响应中涌浪、风浪占据同等重要地位，而波频响应中涌浪则占据主导地位；所以在西非海域进行FPSO等浮式结构物水动力性能研究时，必须考虑风浪和涌浪同时存在的情况；2）当涌浪与风浪流同时存在且夹角为90°时，此时对应的系缆张力最大；此外，西非多点系泊FPSO船艏沿迎风浪流入射方向布置，能更好的控制系泊系统的系缆最大张力及船体最大运动响应；3）系缆根数对多点系泊FPSO水动力性能有重大影响，随着系缆根数的增加，船体纵荡、横荡响应和系缆动力响应都减小，且船体运动响应的减小主要体现在低频成份上的减小；第5章总结与展望由于自主知识产权的缺失及海洋工程装备的落后，我国目前的海洋油气开采主要集中在水深在300m以内的近海海域，但随着浅海海洋油气资源的不断开采而逐渐消耗殆尽，走向深海已经成为必然发展趋势；随着自主设计建造的“海洋石油981”顺利在南海打开第一口井和三大石油公司在西非海域得到相应油气区块的开发权，在南海、西非等地进行油气开采已然成为一种热潮。为了迎合这样的趋势和热潮，在南海和西非海域展开与深水油气资源的勘探开发相关研究具有空前的意义与价值，为我国与海洋工程技术相关企业走向深水、走向国际提供重要的技术支持。本文主要的研究工作及相应结论如下：西非海域FPSO多点系泊布置方案设计1）低频响应中涌浪、风浪占据同等重要地位，而波频响应中涌浪则占据主导地位；所以在西非海域进行FPSO等浮式结构物水动力性能研究时，必须考虑风浪和涌浪同时存在的情况；2）当涌浪与风浪流同时存在且夹角为90°时，此时对应的系缆张力最大；此外，西非多点系泊F