Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动模型试验研究

刘利琴，张永恒，满金双，刘春媛，何鑫

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动模型试验研究

刘利琴，张永恒，满金双，刘春媛，何鑫

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

针对Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动问题，采用模型试验的方法进行了研究。设计了可拆卸的月池底部挡板及垂荡板，通过静水中自由衰减试验及波浪中强迫运动试验，分析了月池流体对平台主体垂荡运动的影响。结果表明：月池流体显著增加了平台垂荡阻尼；当波浪周期接近平台垂荡固有周期时，月池流体对平台主体垂荡有抑制效应，且抑制程度与月池开孔面积有关；对于较大的底部挡板开孔率，平台主体垂荡RAO有2个峰，当波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时，也会激起平台主体较大的垂荡运动。实际中采用半开口月池时，应考虑月池流体对平台主体垂荡运动的影响。

Spar平台；垂荡；月池；模型试验；阻尼；垂荡RAO；耦合运动

Spar平台作为一种顺应式海洋平台凭借其优良的运动性能和结构特点在海洋资源开发中得到了广泛的应用。其中部分Spar平台存在自下而上贯穿整个主体的中央井，称为Spar平台的月池。根据实际的生产要求将立管和钻井设备等布置在月池内部，从而将月池底部挡板设计为半开口形式［1］。底部挡板半开口的形式使得月池内部流体与外部相连通，而月池内部海水质量与平台主体质量量级相当，使得月池流体和平台主体的耦合运动成为了一个重要的研究课题。

目前对Spar平台主体、系泊系统与立管之间的耦合运动以及平台主体各自由度之间的相互耦合问题进行了研究［2⁃4］，关于Spar平台月池内部流体的运动及平台主体与月池流体之间的相互耦合运动考虑较少。对于二者的耦合作用主要通过等效模型和模型试验的方法进行研究。Barreira等［5⁃6］分别建立了弹簧-质量模型和数值波浪水池，研究了月池内部流体对平台的运动响应的影响；Sphaier等［7⁃9］分别采用模型试验的方法，测量获得了月池参数对平台运动响应的影响和月池固有特性。

本文基于模型试验，设计了3种不同开口面积的可拆卸型底部挡板，研究了月池流体运动对Spar平台主体垂荡运动的影响。

1 平台参数

本文试验以Horn Mountain Spar平台为设计基础。Horn Mountain Spar平台是由BP石油公司在墨西哥湾安装并工作，其工作水深达到1 646 m。在开放式平台主体上装有3层垂荡板结构，并通过9条系泊缆定位，在本试验中暂不考虑系泊和立管的影响，只研究平台主体的响应特性。参考工程应用中的结构特点和现有的试验环境条件，在尽量不影响模型试验效果下设定模型比例为1∶130。具体平台主体结构尺寸和模型尺寸如表1所示，平台模型如图1所示。

表1 平台原型及模型尺寸Table1 Size of the platform and model

图1 平台模型Fig.1 Model of platform

2 试验布置和模型安装

本试验在天津大学船模试验水池中进行。试验水池长137 m，宽7 m，水深3 m，模型安装在水槽的中心位置。造波机的造波范围为2～12 m波长、0～25 cm波高。在模型顶端安装LED红外光源，采用非接触式运动姿态测量仪测量模型六自由度运动响应，利用浪高仪和多通道数据采集仪获取波浪资料。试验整体布置如图2所示。

将月池底板和垂荡板设计为可拆卸型，其中垂荡板间距H为0.707D。设计了3种不同的月池底板开孔率，即30%、70%开孔率和全封板，如图3所示。

图2 试验布置图Fig.2 Experimental arrangement

图3 可拆卸底部挡板安装图Fig.3 Installation of dismountable guide plates

3 试验结果及分析

模型试验分别测试了静水中平台的自由衰减运动及波浪中平台的六自由度运动。本试验主要对比分析了3种工况：底板全封闭、30%开孔率及70%开孔率时Spar平台的垂荡运动及月池流体对平台主体垂荡的影响。测试过程中，保持各种工况吃水相同，重心高度基本相同。

3.1 自由衰减试验

针对每种工况，测试3组自由衰减运动，以获得平均垂荡固有周期和阻尼，其中的一组衰减曲线如图4所示。

图4 垂荡自由衰减曲线Fig.4 Free decay curves of heave motion

图5 消灭曲线及系数拟合Fig.5 Extinction curves and coefficient fitting

根据垂荡自由衰减曲线，计算每个相邻峰谷之间的平均高度Zm＝（Zi+Zi+1）／2以及半周期内垂荡双幅值减少ΔZ＝(Zj-Zj+1)。以Zm为横坐标，ΔZ／Zm为纵坐标，画出垂荡消灭曲线，结果如图5所示。

由最小二乘法拟合，获取一阶消灭系数和二阶消灭系数，并根据经验公式［11］将消灭系数转化为线性及二阶非线性阻尼系数。由于Truss Spar平台垂荡方向的线性阻尼（辐射阻尼）较小，非线性阻尼（粘滞阻尼）在垂荡运动中起控制作用，以下只分析非线性阻尼。得到垂荡自由衰减结果如表2所示。

表2 垂荡周期及阻尼参数Table2 Heave period and damping parameter

从表2可以看到，考虑月池底部开孔时，平台垂荡阻尼显著增加。与全封板情况相比，30%开孔率时垂荡阻尼增大约48%，70%开孔率时垂荡阻尼增大约18%。另外，月池底部开孔后，平台垂荡固有周期增加。

3.2 波浪中平台运动试验

选取波高为3.08 cm（对应4 m实际海况波高），每个工况测量13～21个波浪激励周期，典型的平台响应历程曲线如图6～8所示。

图6 全封板时平台垂荡运动时域曲线，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

图7 30%开孔率时平台垂荡运动时域曲线，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

图8 70%开孔率时平台垂荡运动时域曲线，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

根据不同波浪周期的响应历程，得到各个工况单位波幅对应的垂荡响应幅值，即垂荡响应RAO曲线，如图9所示。

图9 平台垂荡响应RAO曲线Fig.9 RAO curves of platform heave motion

图6 ～8表明，在低于固有周期时，平台垂荡响应随波浪周期增加而增大。当波浪周期接近平台垂荡固有周期时，将激发平台大的垂荡运动。当波浪周期较小时，平台垂荡运动呈非线性特性。图9表明，考虑月池开孔后，平台垂荡响应RAO峰值减小。在波浪周期接近垂荡固有周期时，月池流体对平台主体垂荡有抑制作用，且抑制程度与月池开孔面积有关，在实际中可设计月池底部挡板的最优开孔面积来最大程度地减小平台主体的垂荡运动。本试验结果中，30%开孔率对应的平台垂荡RAO极值最小。

对于70%开孔率的工况，主体垂荡RAO存在2个峰值，分别出现在月池流体垂向振动固有周期1.35 s（根据经验公式［9］T＝2πd／g ）及主体垂荡固有周期2.35 s附近，如图9（b）所示。当波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时，也会激起平台主体较大的垂荡运动。因而在实际中采用半开口的月池时，应该考虑月池流体对平台主体垂荡运动的影响。

4 结论

本文采用模型试验研究了Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动。设计了可拆卸的月池底部挡板及垂荡板，针对3种工况：底部档板全封闭、30%开孔率及70%开孔率，进行了静水中自由衰减试验及波浪中强迫运动试验，分析了月池流体对平台主体垂荡运动的影响。主要结论如下：

1）对比有、无月池时静水中平台的垂荡自由衰减运动表明，月池流体显著增加平台垂荡阻尼。

2）月池底部挡板开孔能够有效降低平台的垂荡响应，且与月池开孔面积有关，并存在最优开孔率。

3）较大开孔率时，主体垂荡RAO有2个峰值，分别出现在月池流体垂向振动固有周期及主体垂荡固有周期附近。根据试验研究发现，在实际中采用半开口的月池时，应该考虑月池流体对平台主体垂荡运动的影响。

［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］刘利琴，唐友刚，王文杰.Spar平台垂荡-纵摇耦合运动的不稳定性［J］.船舶力学，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］孙采微，杨建民，吕海宁.波浪作用下带月池结构船体运动数值预报［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］赵尚辉，刘见华.船底月池流激振荡特性研究［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］李积德.船舶耐波性［M］.北京：国防工业出版社，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.网络出版时间：2015⁃01⁃09.基金项目：国家自然科学基金资助项目（51179125）.

刘利琴（1977⁃），女，副教授，博士.

刘利琴，E⁃mail：liuliqin＠tju.edu.cn.