CN114201821A - 基于圆筒型fpso的船模实验阻尼校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，包括如下步骤：建立圆筒型FPSO的船模缩尺模型；在缩尺模型实验前进行数值模拟，以确定进行缩尺模型实验时所需关注的海况；对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，得到水动力分析中的粘性力系数；对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验；建立阻尼校准模型，与对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验结果对比，选取适配于不同海况下的阻尼。该方法，可以针对圆筒型FPSO的特殊结构性质校准匹配处最合适的阻尼，达到和缩尺模型实验的结果有最佳的匹配。

Description

基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，属于海洋石油开发技术领域。

背景技术

由于我国海上油气的储量非常丰富，目前我国油气开发勘探的主要战场已由内陆、浅海向深海发展。为了开采深海中的油气，通常需要在深海水面建设一个集深海钻井、油气处理、储油、卸油、发电、供热和生活等功能为一体的油气生产平台，然后再通过管线将油和天然气输送至油船或陆地上的储油罐或储气罐。油气生产平台一般悬浮于深海水面，为了从深海钻井并将钻取的油气运送出来，目前主流的深海油气田开发方案主要有半潜式平台、浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)、SPAR、和张力腿平台，对于不同的海况以及油田开发的不同阶段，这些生产平台在经济上和技术上有不同的适用性。

圆筒型FPSO水线面大，水动力性能复杂，实际作业时的运动性能难以预测和捕捉，加之过往应用的项目少，相关项目资料及其有限，因此十分依赖模型实验的结果，但是由于平台实际作业时海况过多，模型实验难以模拟全部的作业海况，并且由于模型实验所使用水池的条件限制，很难做到模拟全部的关注因素。例如由于系泊系统需要截断的原因，系泊的张力和疲劳强度很难模拟到与实际作业海况一致。因此需要基于实验结果，对数值模拟的计算模型进行阻尼修正和校准。

同时由于常规的势流商业软件如aqwa、orcaflex默认计算时不考虑粘性载荷的效果，因此需要针对实验结果，合理的选取阻尼代替粘性载荷效果。圆筒型FPSO自身结构的特性决定了用常规的针对船型的阻尼修正方法很难准确捕捉其运动特性，因此也需要针对实验结果，合理校准数值模拟适用的阻尼。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，用以解决设计阶段难以准确预测圆筒型FPSO运动性能的问题，有效保证了设计的可靠性和合理性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，包括如下步骤：

建立圆筒型FPSO的船模缩尺模型；

在缩尺模型实验前进行数值模拟，以确定进行缩尺模型实验时所需关注的海况；

对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，得到水动力分析中的粘性力系数；

对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验；

建立阻尼校准模型，与对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验结果对比，选取适配于不同海况下的阻尼。

所述的船模实验阻尼校准方法，优选地，确定进行船模缩尺模型实验时所需关注的海况的具体过程如下：

利用等时域分析软件在各个工况和装载状况下筛选计算，初步选取圆筒型FPSO的船模缩尺模型的阻尼；

根据筛选计算结果找出所需工况作为缩尺模型实验需要关注的工况。

所述的船模实验阻尼校准方法，优选地，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，具体过程如下：

圆筒型FPSO的船模缩尺模型在不同装载状况下进行自由衰减实验，关注垂荡、横摇、纵摇方向下的自由衰减；

建立自由衰减的模型，进行垂荡、横摇、纵摇的衰减对比，反复调整模型的参数和阻尼直至垂荡、横摇和纵摇的衰减曲线和缩尺模型实验对上为止。

所述的船模实验阻尼校准方法，优选地，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，还包括如下步骤：

将自由衰减得到的垂荡二次阻尼转化为莫里森杆件的垂向拖曳力系数，在频域计算中适用，所用公式如下：

Cd＝2/(d*Pi*D*1.025)*D2

式中：Cd为莫里森杆件的拖曳力系数；d为莫里森杆件包围的直径；Pi为3.1415926；D为莫里森杆件自身的半径；D2为垂荡自由衰减得到的二次阻尼。

所述的船模实验阻尼校准方法，优选地，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验，具体过程如下：

将不规则波实验的环境条件设置为一年一遇，十年一遇和百年一遇；

对于多点系泊系统，选取的环境载荷方向为正对着一组缆绳，与一组缆绳夹角分别为30度和60度三种方向，每个浪向下做三个种子；

当有风洞实验的数据时，风载荷和流载荷用绞车拉在载荷作用点，用载荷时历模拟；

对不规则波实验结果进行处理，关注每个工况下的最大值，最小值，平均值、标准差和韦布尔分布的拟合曲线。

所述的船模实验阻尼校准方法，优选地，建立阻尼校准模型，与对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验结果对比，选取适配于不同海况下的阻尼，具体过程如下：

在时域分析软件中建立阻尼校准模型，初步选取二次阻尼数据，初始的横摇、纵摇、垂荡与自由衰减实验得到的阻尼值一致，横荡和纵荡的初始阻尼设置成0；

对数值计算结果进行处理，得到每个工况下的最大值、最小值、平均值和标准差以及极值韦布尔分布拟合的效果，将结果与缩尺模型实验的结果对比；

调整输入的阻尼，直到缩尺模型实验的结果和数值模拟的结果一致为止。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的圆筒型FPSO，结构简单，相比于船型FPSO单位钢量下的储油效率高且建造成本低，无单点装置以及无需转塔结构，后期维护成本低，无风向要求，对环境载荷方向不敏感，甲板承载能力较高，波浪引起的疲劳载荷小等优点，十分适合孤立油田以及已经到开发中后期阶段的边际油田的二次开发。

2、本发明的圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，可以针对圆筒型FPSO的特殊结构性质校准匹配最合适的阻尼，达到和缩尺模型实验的结果最佳的匹配，这样可以保证后续数值模拟的准确性、合理性和可靠性，设计的安全性也可以得到保证，对整个平台设计起到关键性的支撑作用。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的时域数值模拟中的模型，其中a为时环境载荷方向正对着一组系泊缆，b为环境载荷方向距离一组系泊缆的夹角为两组系泊缆夹角的四分之一，本例中为30度，c为环境载荷方向正对着两组缆绳的正中间，本例中与系泊缆的夹角为60度；

图2为本发明该实施例提供的频域水动力分析中使用的FPSO模型；

图3为本发明该实施例提供的频域水动力分析中使用的莫里森模型；

图4-6为正对着一组系泊缆绳255度环境载荷方向下(图1中正对着西偏北侧缆绳的方向)数值模拟(图b)和实验结果(图a)的单种子韦布尔拟合的对比，其中图4为垂荡，图5为纵荡，图6为纵摇。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“上”、“下”、“左右”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本发明所提供的基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法完全基于缩尺模型实验，首先根据模型实验的水池尺寸在保证几何近似和傅如德近似的情况下选取合适的缩尺比，一般中国南海水深超过200米的工程项目选取1：60。

本发明所提供的基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：缩尺模型实验前的数值模拟，以确定进行缩尺模型实验时需要重点关注的海况；

步骤S2：对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，通过自由衰减实验结果得到水动力分析中的粘性力系数；

步骤S3：对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验，处理实验结果；

步骤S4：建立阻尼校准模型，与对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验结果对比，选取不同海况下合适的阻尼。

进一步地，步骤S1包括以下步骤：

步骤S11：针对以往项目，适用时域分析软件在各个工况和装载状况下进行筛选计算，初步选取圆筒型FPSO的船模缩尺模型的阻尼。

步骤S12：根据筛选计算结果找出关键工况作为缩尺模型实验重点关注的工况。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21：圆筒型FPSO的船模缩尺模型在不同装载状况下进行自由衰减实验，主要关注垂荡、横摇、纵摇方向下的自由衰减，自由衰减的初始释放幅值一般选取为时域计算的最大运动幅值。

步骤S22：在商业软件中建立自由衰减的模型，进行垂荡、横摇、纵摇的衰减对比，对于圆筒型FPSO一般选择二次阻尼进行自由衰减的阻尼修正，反复调整模型的参数和阻尼直到保证垂荡、横摇和纵摇的衰减曲线和缩尺模型实验对上为止。

步骤S23：由于圆筒型FPSO垂荡运动的固有周期一般为横摇和纵摇的二分之一，因此垂荡运动为主要的控制因素，一般采用莫里森公式，将自由衰减得到的垂荡二次阻尼转化为莫里森杆件的垂向拖曳力系数，在频域计算中适用，所用公式如下：

Cd＝2/(d*Pi*D*1.025)*D2

式中：Cd为莫里森杆件的拖曳力系数；d为莫里森杆件包围的直径,一般选取为比垂荡版半径略小；Pi为3.1415926；D为莫里森杆件自身的半径，一般选取为0.02米，D2为垂荡自由衰减得到的二次阻尼。

进一步地，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31：对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验，一般需要做1年一遇，10年一遇和百年一遇的环境条件；针对多点系泊系统，一般选取的环境载荷方向为正对着一组缆绳，与一组缆绳夹角为30度和60度三种方向，每个浪向下一般要做3个种子；需要注意的是在有风洞实验的数据时，一般风载荷和流载荷用绞车拉在载荷作用点，用载荷时历模拟。

步骤S32：对不规则波实验结果进行处理，一般需要看每个工况下的最大值，最小值，平均值和标准差，由于不规则波的运动响应的极值一般是符合韦布尔分布的，因此韦布尔分布的拟合曲线也需要关注。

进一步地，步骤S4包括以下步骤：

步骤S41：在时域分析软件中建立阻尼校准模型，初步选取二次阻尼数据，初始的横摇、纵摇、垂荡可以与自由衰减得到的阻尼值一致，横荡和纵荡的初始阻尼可以设置成0。注意模型自身的属性(如重量、重心、惯性半径和吃水)要与实验的模型完全一致；系泊系统的数据也要与模型完全一致；需要注意的是，由于圆筒型FPSO自身结构存在一定的对称性，因此阻尼可以施加在固定在FPSO的假体上(质量，惯性半径都非常小)，该假体随着环境载荷方向的变化而变化，保证假体的首部正对着环境载荷方向，这样可以得到更好的和实验匹配的结果。

步骤S42：对数值计算结果进行处理，同样需要得到每个工况下的最大值，最小值，平均值和标准差以及极值韦布尔分布拟合的效果，将结果与模型实验的结果对比。

步骤S43：调整输入的阻尼，直到模型实验的结果和数值模拟的结果基本为止，能接受的误差要求为：最大值和最小值误差在10％以内，平均值接近且标准差误差在5％以内，韦布尔拟合的结果也大致相同，则认为选取的阻尼为合理的。

本发明还提供一具体应该实施例进行说明，具体如下：

该具体实施例所提供的环境条件，如表1所示：

表1为阻尼校准的环境条件

如图1所示，其为时域数值模拟中的模型，时域分析软件为Orcaflex，图中箭头为环境载荷方向。

如图2、3所示，其为频域水动力分析中使用的FPSO模型和莫里森模型，莫里森杆件所包围的半径D为垂荡版半径的0.956。

如图4-6所示，其为正对着一组系泊缆，255度环境载荷方向下(图1中正对着西偏北侧缆绳的方向)数值模拟和实验结果的单种子韦布尔拟合的对比，可以看出，数值模拟和实验结果的韦布尔拟合趋势基本相同，因为环境载荷方向为255度，因此只看了纵摇(图4)、纵荡(图5)和垂荡(图6)三个自由度的结果。

表2为正对着一组系泊缆，255度环境载荷方向下(图1中正对着西偏北侧缆绳的方向)数值模拟和实验结果的3个种子平均的统计值对比，可以看出，无论是最大值最小值，还是标准差平均值，实验结果和数值模拟的结果基本吻合，验证了数值模拟中阻尼选取的合理性。

表2为数值模拟和实验结果的3个种子平均的统计值对比

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于圆筒型FPSO的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立圆筒型FPSO的船模缩尺模型；

在缩尺模型实验前进行数值模拟，以确定进行缩尺模型实验时所需关注的海况；

对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，得到水动力分析中的粘性力系数；

对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验；

建立阻尼校准模型，与圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验结果对比，选取适配于不同海况下的阻尼。

2.根据权利要求1所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，确定进行船模缩尺模型实验时所需关注的海况的具体过程如下：

利用等时域分析软件在各个工况和装载状况下筛选计算，初步选取圆筒型FPSO的船模缩尺模型的阻尼；

根据筛选计算结果找出所需工况作为缩尺模型实验需要关注的工况。

3.根据权利要求2所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，具体过程如下：

圆筒型FPSO的船模缩尺模型在不同装载状况下进行自由衰减实验，关注垂荡、横摇、纵摇方向下的自由衰减；

建立自由衰减的模型，进行垂荡、横摇、纵摇的衰减对比，反复调整模型的参数和阻尼直至垂荡、横摇和纵摇的衰减曲线和缩尺模型实验对上为止。

4.根据权利要求3所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行自由衰减实验，还包括如下步骤：

将自由衰减得到的垂荡二次阻尼转化为莫里森杆件的垂向拖曳力系数，在频域计算中适用，所用公式如下：

Cd＝2/(d*Pi*D*1.025)*D2

式中：Cd为莫里森杆件的拖曳力系数；d为莫里森杆件包围的直径；Pi为3.1415926；D为莫里森杆件自身的半径；D2为垂荡自由衰减得到的二次阻尼。

5.根据权利要求4所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验，具体过程如下：

将不规则波实验的环境条件设置为一年一遇，十年一遇和百年一遇；

对不规则波实验结果进行处理，关注每个工况下的最大值，最小值，平均值、标准差和韦布尔分布的拟合曲线。

6.根据权利要求5所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验，当有风洞实验的数据时，风载荷和流载荷用线拉在载荷作用点，用载荷时历模拟。

7.根据权利要求5所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，对圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验，对于多点系泊系统，选取的环境载荷方向为正对着一组缆绳，与一组缆绳夹角分别为30度和60度三种方向，每个浪向下做三个种子。

8.根据权利要求5所述的船模实验阻尼校准方法，其特征在于，建立阻尼校准模型，与圆筒型FPSO的船模缩尺模型进行不规则波实验结果对比，选取适配于不同海况下的阻尼，具体过程如下：

在时域分析软件中建立阻尼校准模型，初步选取二次阻尼数据，初始的横摇、纵摇、垂荡与自由衰减实验得到的阻尼值一致，横荡和纵荡的初始阻尼设置成0；

对数值计算结果进行处理，得到每个工况下的最大值、最小值、平均值和标准差以及极值韦布尔分布拟合的效果，将结果与缩尺模型实验的结果对比；

调整输入的阻尼，直到缩尺模型实验的结果和数值模拟的结果一致为止。

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