CN104990660A - 一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法，其包括以下步骤：1)建立内波流的描述方程；2)获取内波流的波面时程；3)获取内波流流速和加速度；4)求取内波流载荷。本发明由于在获取内波流载荷时将内波流流速和加速度随时间的变化考虑在内，从而能够考虑到作用在平台上的拖曳力和惯性力随时间的变化，使得最终得到的内波流载荷是一个随时间变化的时程，因而得到的内波流载荷更加准确。本发明可以广泛应用于浮式平台的内波流载荷的获取。

Description

一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法

技术领域

本发明涉及一种载荷获取方法，特别是关于一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法。

背景技术

随着我国深水海洋油气勘探开发的快速发展，近几年我国的大型深水半潜式钻井平台的数量大为增加。中国南海是我国深水油气开发的主战场，南海海洋环境条件十分恶劣，比较典型的特点是内波流频发，且强度大。系泊定位系统动力定位条件下，浮式平台受到内波流载荷的作用，会发生大范围的偏移，内波流载荷的获取是内波流作用下平台偏移计算的重要基础，当平台的偏移超出一定范围时，则会影响到深水钻井作业的进行，甚至威胁到平台系泊系统和钻井系统的安全。目前国内外海洋工程相关规范获取内波流载荷的方法是将内波流按照常规的定常流来处理，这种处理方法忽略了内波流流速的时变特征(即内波流的波动特征)，从而导致内波流载荷中的惯性力部分被忽略，这种传统计算方法会低估内波流的作用，从而影响平台的正常作业及安全。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种将内波流的波动性考虑在内的应用于浮式平台的内波流载荷获取方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法，其包括以下步骤：

1)建立内波流的描述方程为：

$\frac{\∂\mathrm{\η}(x,t)}{\∂t}+(C_0+\mathrm{\α}\mathrm{\η}(x,t\left)\right)\frac{\∂\mathrm{\η}(x,t)}{\∂x}+\mathrm{\β}\frac{{\∂}^3\mathrm{\η}(x,t)}{\∂x^3}=0---\left(1\right)$

其中，η(x,t)为内波流的波面时程，t为时间，x为目标浮式平台的坐标，C₀为内波流的线性速度，α为非线性参数，β为弥散参数；

2)获取内波流的波面时程：

根据式(1)可以推导得出内波流的波面时程表示为：

$\mathrm{\η}(x,t)=\±{\mathrm{\η}}_0{\mathrm{sech}}^2\left(\frac{x-C_{p}t}{l}\right)---\left(2\right)$

其中，C_p为内波流的非线性速度，l为内波流的特征波长，η₀为内波流的波幅；

3)获取内波流流速和加速度：

假设内波流有两个分层，上层流体流速u₁与下层流体流速u₂相反，上层流体厚度为h₁,下层流体厚度为h₂，上层流体密度为ρ₁，下层流体密度为ρ₂，对式(2)进行求导得到内波流的上层流体流速u₁和下层流体流速u₂：

然后对式(3)进行求导即可得到内波流的上层流体加速度a₁和下层流体加速度a₂：

4)求取内波流载荷：

根据内波流的描述方程得到内波流流速、加速度的分布，将浮式平台的将内波流载荷F分成拖曳力F_D和惯性力F_I两部分，即：

F＝F_D+F_I    (5)

其中，拖曳力F_D可表示为：

$F_D=\frac{C_d}{2}{\mathrm{\ρAu}}^2---\left(6\right)$

式中，A为受流面积；ρ为海水密度，u为内波流流速，当浮体处在上层流体中时：ρ＝ρ₁，u＝u₁,当浮体处在下层流体中时，ρ＝ρ₂，u＝u₂；C_d为拖曳力系数，根据模型试验方法或者根据规范的方法来计算获得；

惯性力F_I可表示为：

F_I＝C_mρVa    (7)

其中，V为目标浮式平台的排水量；a为内波流加速度，当浮体处在上层流体中时：a＝a₁,当浮体处在下层流体中时，a＝a₂；C_m为附加质量系数，根据势流理论的水动力软件计算获得。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在获取内波流载荷时将内波流的波动性考虑在内，因而能够更加真实的评估内波流的作用，从而能够提高平台设计的可靠性和安全性。2、本发明由于在获取内波流载荷时将内波流流速和加速度随时间的变化考虑在内，从而能够考虑到作用在平台上的拖曳力和惯性力随时间的变化，使得最终得到的内波流载荷是一个随时间变化的时程，因而得到的内波流载荷更加准确。本发明可以广泛应用于浮式平台的内波流载荷的获取。

附图说明

图1是内波流关键参数示意图；

图2是深水半潜式钻井平台的结构示意图；

图3是内波流流速时程图；

图4是内波流加速度时程图；

图5是平台纵向内波流载荷时程图；

图6是平台横向内波流载荷时程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法，其包括以下步骤：

1)建立内波流的描述方程为：

$\frac{\∂\mathrm{\η}\left(x,t\right)}{\∂t}+(C_0+\mathrm{\α}\mathrm{\η}(x,t\left)\right)\frac{\∂\mathrm{\η}\left(x,t\right)}{\∂x}+\mathrm{\β}\frac{{\∂}^3\mathrm{\η}\left(x,t\right)}{\∂x^3}=0---\left(1\right)$

其中，η(x,t)为内波流的波面时程，t为时间，x为目标浮式平台的坐标，C₀为内波流的线性速度，α为非线性参数，β为弥散参数。

2)获取内波流的波面时程：

根据式(1)可以推导得出内波流的波面时程表示为：

$\mathrm{\η}\left(x,t\right)=\±{\mathrm{\η}}_0{\mathrm{sech}}^2\left(\frac{x-C_{p}t}{l}\right)---\left(2\right)$

其中，C_p为内波流的非线性速度，l为内波流的特征波长，η₀为内波流的波幅。

3)获取内波流流速和加速度：

假设内波流有两个分层(如图1所示)，上层流体流速u₁与下层流体流速u₂相反，上层流体厚度为h₁,下层流体厚度为h₂，上层流体密度为ρ₁，下层流体密度为ρ₂，对式(2)进行求导得到内波流的上层流体流速u₁和下层流体流速u₂：

然后对式(3)进行求导即可得到内波流的上层流体加速度a₁和下层流体加速度a₂：

4)求取内波流载荷：

根据内波流的描述方程得到内波流流速、加速度的分布，可以将浮式平台的将内波流载荷F分成拖曳力F_D和惯性力F_I两部分，即：

F＝F_D+F_I    (5)

其中，拖曳力F_D可表示为：

$F_D=\frac{C_d}{2}{\mathrm{\ρAu}}^2---\left(6\right)$

式中，A为受流面积；ρ为海水密度，u为内波流流速，当浮体处在上层流体中时：ρ＝ρ₁，u＝u₁,当浮体处在下层流体中时，ρ＝ρ₂，u＝u₂；C_d为拖曳力系数，可以根据模型试验方法或者根据规范的方法来计算获得。

惯性力F_I可表示为：

F_I＝C_mρVa    (7)

其中，V为目标浮式平台的排水量；a为内波流加速度，当浮体处在上层流体中时：a＝a₁,当浮体处在下层流体中时，a＝a₂；C_m为附加质量系数，可以根据势流理论的水动力软件计算获得。

本发明考虑了内波流流速u以及加速度a随时间的变化，从而也考虑到作用在目标浮式平台上的拖曳力F_D和惯性力F_I随时间的变化，因而，最终得到的内波流载荷F＝F_D+F_I也是一个随时间变化的时程(时间序列)，该时程可用于计算目标浮式平台在内波流作用下的偏移。

本发明由于同时考虑了内波流载荷F的拖曳力F_D和惯性力F_I，两者分别与内波流流速u和加速度a有关系，而又由于内波流流速u和加速度a的相位差为90°，通过拖曳力F_D和惯性力F_I时间序列的叠加，因此考虑了两者的不同相位。而传统方法要么不考虑惯性力F_I(该方法会低估内波流载荷F)，即使考虑了惯性力F_I，也只是简单地将惯性力F_I的最大值和拖曳力F_D的最大值叠加(该方法会高估内波流载荷F)，因此本发明提出的方法可以更为准确的获取内波流载荷F。

下面结合一个实施例来说明本发明的方法。

如图2所示，本实施例涉及的目标浮式平台为一座深水半潜式钻井平台，表1为该深水半潜式钻井平台的主要参数，表2为内波流实测数据。

表1深水半潜式钻井平台主要参数

名称	尺度
		下浮体(m)	114.07×20.12×8.54R2.13
立柱(m)	(15.86～17.39)×(15.86～17.39)×21.50/R3.96
		横撑(m)	2.438×1.83(4根)
吃水(m)	19
		下浮体中心线距(m)	58.56

表2内波流实测数据

已知内波流的上层流体最大流速为2.0m/s,内波流周期为1200s，波长为2000m，上层深度h₁为180m，下层深度h₂为420m，则根据式(3)分别得到内波流的上、下层流体流速时程：图3(a)为上层流体流速时程，图3(b)为下层流体流速时程；内波流的上、下层流体加速度时程：图4(a)为上层流体加速度时程，图4(b)为下层流体加速度时程。

在周期1200s的内波流载荷下，根据势流理论得到平台的附加质量系数纵荡附加质量系数C_m是1.302，横荡附加质量系数C_m是1.754。

当内波流来向为船艏向，即平台遭遇纵浪向内波流时，根据式(5)～(7)获取内波流载荷时程、拖曳力时程和惯性力时程(如图5(a)-(c)所示)，内波流载荷最大值为：1583.7kN；拖曳力成分最大值为：1435kN；惯性力最大值为：450kN。

考虑到拖曳力和惯性力最大值不会同时出现，在时域叠加后，本发明方法的计算结果(1583.7KN)比传统方法的计算结果(即拖曳力成分最大值1435KN)大10.36％。

当内波流来向为横浪向，即平台遭遇横浪向内波流时，根据式(5)～(7)获取内波流载荷时程、拖曳力时程和惯性力时程(如图6(a)-(c)所示)，内波流载荷最大值为3209.8kN；拖曳力成分最大值为：3075kN；惯性力最大值为：607.22kN。

考虑到拖曳力和惯性力最大值不会同时出现，在时域叠加后，本发明方法的计算结果(3209.8KN)比传统方法的计算结果(即拖曳力成分最大值3075KN)大4.38％。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种应用于浮式平台的内波流载荷获取方法，其包括以下步骤：

1)建立内波流的描述方程为：

$\frac{\∂\mathrm{\η}(x,t)}{\∂t}+(C_0+\mathrm{\α}\mathrm{\η}(x,t\left)\right)\frac{\∂\mathrm{\η}(x,t)}{\∂x}+\mathrm{\β}\frac{{\∂}^3\mathrm{\η}(x,t)}{\∂x^3}=0---\left(1\right)$

其中，η(x,t)为内波流的波面时程，t为时间，x为目标浮式平台的坐标，C₀为内波流的线性速度，α为非线性参数，β为弥散参数；

2)获取内波流的波面时程：

根据式(1)可以推导得出内波流的波面时程表示为：

$\mathrm{\η}(x,t)=\±{\mathrm{\η}}_0{\mathrm{sech}}^2\left(\frac{x-C_{p}t}{l}\right)---\left(2\right)$

其中，C_p为内波流的非线性速度，l为内波流的特征波长，η₀为内波流的波幅；

3)获取内波流流速和加速度：

假设内波流有两个分层，上层流体流速u₁与下层流体流速u₂相反，上层流体厚度为h₁,下层流体厚度为h₂，上层流体密度为ρ₁，下层流体密度为ρ₂，对式(2)进行求导得到内波流的上层流体流速u₁和下层流体流速u₂：

然后对式(3)进行求导即可得到内波流的上层流体加速度a₁和下层流体加速度a₂：

4)求取内波流载荷：

根据内波流的描述方程得到内波流流速、加速度的分布，将浮式平台的将内波流载荷F分成拖曳力F_D和惯性力F_I两部分，即：

F＝F_D+F_I    (5)

其中，拖曳力F_D可表示为：

$F_D=\frac{C_d}{2}{\mathrm{\ρAu}}^2---\left(6\right)$

式中，A为受流面积；ρ为海水密度，u为内波流流速，当浮体处在上层流体中时：ρ＝ρ₁，u＝u₁,当浮体处在下层流体中时，ρ＝ρ₂，u＝u₂；C_d为拖曳力系数，根据模型试验方法或者根据规范的方法来计算获得；

惯性力F_I可表示为：

F_I＝C_mρVa    (7)

其中，V为目标浮式平台的排水量；a为内波流加速度，当浮体处在上层流体中时：a＝a₁,当浮体处在下层流体中时，a＝a₂；C_m为附加质量系数，根据势流理论的水动力软件计算获得。