半潜钻井平台横撑拖曳力:线性化分析新视角

当前主流的半潜式钻井平台都具备有横撑结构。横撑界面直径相对于波浪属于小量,我们知道这种情况下粘性力是主要波浪载荷,需要用Morrison方程来求解小直径结构物收到的波浪载荷情况。因而半潜钻井平台需要两部分模型:1传统意义上的面源水动力模型;2Morrison杆件模型,这二者组成的水动力计算模型也成为混合模型。

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在AQWA中,混合模型可以通过经典ANSYS来建立,具体步骤为:

1.定义单元,面单元为Shell63,管件为pipe59;

2.依据立柱、浮箱尺寸建立外壳;

3.建立pipe模型;

4.对外壳模型进行单元划分;对杆件进行单元划分,注意,杆件单元不宜过大,否则不能捕  捉波浪对杆件的影响;

5.输出混合模型,在文本编辑器中对模型文件进行修改。

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模型修改完成后进行常规计算时,AQWA仅考虑杆件的附加质量影响。我们知道,Morrison方程粘性力项是关于速度平方的,即:

Fd=CdρD/2|u|u,方程还可以表达为Fd=(Cd|u|)ρD/2 u

这就表明,该力是非线性的。在时域分析中,杆件的粘性力可以在各个时间步长内就行求解,但在频域内,需要对Cd|u|项进行线性化处理,线性化处理的前提是要有给定的不规则波环境条件。

指定环境条件为Hs=3.0m,Tp=10s。

对平台进行计算后比较升沉RAO如图所示。可以发现,杆件对于升沉的阻尼作用还是较为明显的。

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前文已经说过,时域分析中可以完全考虑Morrison粘性力的作用,为何还要在频域中进行计算?

从粘性载荷方程可以知道,不同海况下平台运动速度不同,产生的阻尼作用也就不同。在设计阶段,想要准确的掌握平台运动性能,频域运动分析是必不可少的。

另外,在立柱、浮箱中心轴线建立Morrison杆件,通过计算能够估算出平台大概的粘性阻尼,这些结果可以经过换算后对水动力模型就行阻尼修正,这对于后续的分析也非常有帮助。

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