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讨论议题 之 石油平台设计的水动力分析相关(试行) [复制链接]

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离线diego
 
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只看楼主 倒序阅读 使用道具 0楼 发表于: 2009-04-16 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
— 本帖被 diego 执行压帖操作(2011-03-02) —
主要有:
1、Charm3D计算结果中的各种力;
2、HARP 软件特点比较,用HARP 做波浪漂移力计算;
3、动力分析中的Damping Matrix;
4、AQWA-FIDA FIDD Damping 卡片的设置;
5、浮体剖面荷载RAO计算;
6、Spar的剪力、弯矩分布情况;
7、浮体动力响应极值的长期预报计算;
8、带杆件平台结构波浪载荷计算;
9、WAMIT建模;
10、加速度计算;
11、TLP平台动态模拟;
12、SPAR平台动态模拟
等等相关问题。
经验不足,主要是借鉴
[ 此贴被diego在2009-05-03 00:12重新编辑 ]
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离线diego
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只看该作者 1楼 发表于: 2009-04-16 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
Charm3D计算结果中的各种力

波浪载荷的划分方法有几种,其中一种是分为(暂且称为方法A):拖曳力、惯性力和绕射力(可参考交大李润培、王志农的《海洋平台强度分析》)。惯性力又分为入射力和附加质量力。A方法即:波浪载荷=入射力+附加质量力+绕射力+粘性力。

另外还有种划分方法(方法B)是:势流力和粘性力。势流力又分为入射、绕射和辐射力。辐射力又分为附加质量力和势流阻尼力。即为波浪载荷=入射力+辐射力+绕射力+粘性力。

在Charm3D WWBODY.FRC文件中可以输出的外载荷包括6种:
1、The first line is the diffraction force,
2、the second line is the viscous force,
3、the third line is inertial forces,
4、the fourth line is the potential force from convolution integral,
5、the fifth line is the dynamic wind force,
6、and the sixth line is the buoy vector.

对应一下上述6种情况:
1、The first line is the diffraction force,
这里的Diffraction Force其实就是Wave Excitation Force。

2、the second line is the viscous force,
粘性阻尼力,大部分都是由海流引起的,波浪的粘性阻尼力幅度相对很小。

3、the third line is inertial forces,
附加质量力、惯性力、、、anyway you call

4、the fourth line is the potential force from convolution integral,
这个potential force不是你所认为的总和势流力,这一项力实际上就是辐射阻尼力,radiation damping,你管它叫“势流阻尼力”,anyway,叫法不同而已。

5、the fifth line is the dynamic wind force,
6、and the sixth line is the buoy vector.
后面这两项顾名思义。

关于波浪载荷的各种划分和叫法很繁杂,各家叫法不一,不熟悉的人容易混淆,但翻来覆去的总归也就是global运动方程里面的那么几项。自己心里要清楚。
物体所受的波浪载荷无非就是两个问题解的叠加:
1、Diffraction。波场中固定物体受力问题。问题的解是wave excitation load,就是CHARM3D输出第一行。包括Froude-Koriloff力和diffraction force两项。
2、Radiation。静水中振动物体受力问题。问题的解为复数,实部为added mass(第三行),虚部为Radiation Damping(第四行)。

两个问题的解的和就是所谓的波浪荷载。自己清楚就这几项就行吧。


小弟在学习中...........
离线diego
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只看该作者 2楼 发表于: 2009-04-16 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
HARP是个JIP,各方面来说还是非常不错的,尤其是time domain里对四类folating structure的分析已经非常完善,本人中意HARP胜过AQWA.听ABS讲,AQWA很贵,也许是各水动力贵族吧,相信他贵的也有道理,我去ABS培训了两天,感受不是很深,希望wavesurfer说说用AQWA的经验.

Harp 计算锚泊系统响应采用的是全耦合的方法。所谓全耦合的方法就是锚泊系统和浮式结构的动力响应采用有限元的方法统一求解,而不是解耦的方法。

所谓解耦方法就是浮式结构的动力响应先计算出来,锚泊系统的刚度,阻尼,惯性贡献近似考虑。在计算完平台响应后,运动响应作为锚泊系统的边界条件,计算锚泊系统结构分析。

因此说Harp系统是同时计算平台和锚泊系统的响应。

而其他软件比如BV的软件,就是用的解耦的做法:用Hydrostar先计算平台的响应,不考虑锚链,计算出平台的响应后,把位移矩阵作为锚泊系统分析的边界条件,接着用Ariane进行锚泊分析。分析出锚链的特性后,再作为刚度矩阵反馈到平台的运动计算上,再进行平台的分析。

HARP 是需要WAMIT计算好各种水动力系数,然后再导入Time Domain进行平台和锚泊系统的耦合分析。至于程序内部这些系数是怎么用的偶就不清楚了。


以上也集思广议,个人收集!


这里有一篇海洋工程界大牛 D.L. Garrett 2005年发表在 OCEAN ENGINEERING 上的文章,里边对于耦合的讲解比较清楚。另外有一点值得提到的就是 HARP(winpost)的mooring theroy 就是根据Garrett 在1982提出的 “Dynamic Analysis of Slender Rods” 一文的原理开发的。 Coupled_analysis_of_floating_production_systems_by_D.L._Garrett_OCEAN_ENGINEERIN (490 K) 下载次数:21 ,你所在用户组没有附件下载权限

声明:由本人整理(未完),资源来自网络
[ 此贴被diego在2009-04-16 19:44重新编辑 ]
离线diego
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只看该作者 3楼 发表于: 2009-04-16 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
SPAR平台动态模拟

先上传一个TAMU的硕士论文,专门研究BP的Horn Mountain Spar:

NUMERICAL SIMULATION OF THE TRUSS SPAR
‘HORN MOUNTAIN’ USING COUPLE
by
BASIL THECKUM PURATH

etd_tamu_2006A_OCEN_Theckum.pdf (3866 K) 下载次数:10 ,你所在用户组没有附件下载权限


看到有些朋友提出相关问题(本人也希望得到解释):

1 为什么spar斜得这么厉害? 波浪有向左边的很大推力吗?
如果只有波浪,Spar受到的横向力来自两部分。一部分是上半部分Hull的second-order wave drift force (一阶正弦波不会产生drift force,因为是纯周期性的)。另外就是下半部分Truss的Morison Load (当结构相对于波浪来说尺寸非常小时不考虑绕射,而按Morison 公式计算)。当然,如果有Current的话,也会有Current Force。这时候锚链在Spar上的Fairlead的位置就显得很重要了,因为会影响Spar的平均倾角。

2 中间的蓝色线条模拟的是riser吗? 它们对spar有很大影响?
有一定影响,具体量级没什么经验。可参考Dr. Ran的论文。是winpost和HARP的原理,可以好好研究一下
COUPLED_DYNAMIC_ANALYSIS_OF_FLOATING_STRUCTURES_IN_WAVE_AND_CURRENT_BY_RAN_2000. (3072 K) 下载次数:9 ,你所在用户组没有附件下载权限
   COUPLED_DYNAMIC_ANALYSIS_OF_FLOATING_STRUCTURES_IN_WAVE_AND_CURRENT_BY_RAN_2000. (2797 K) 下载次数:8 ,你所在用户组没有附件下载权限


3 对比tlp的movie, 这里的波浪是不是在一定的高度内对spar有作用?
TLP是通过具有很大张力的Tendon把共振频率控制在大于波浪频率的范围;而Spar是通过大排水量,小的水面线而把共振频率控制在小于波浪频率的范围。

4 忽略topside会对结果有多大影响? 一般topside能占到总用钢量的多大比例?
Topsid的重量在计算中应该是没有忽略的,只是在水动力计算中不淹没在水里的部分往往不需要划分网格。动画里只是没把Topside加进去。


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[ 此贴被diego在2009-04-16 19:44重新编辑 ]
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只看该作者 4楼 发表于: 2009-06-22 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
总的来说,对于波浪与物体相互作用问题,目前有两种求解方法:
(1)    频域理论
所谓频域理论,是假定波浪场中的物理量随时间成周期性变化,从而可以把时间项显式分离出去的一种理论方法。频域理论对非线性现象进行研究的一个有效途径是采用摄动展开,把原非线性问题分解成一系列的定解问题,一阶解对应线性理论,继而求出二阶解,理论上这一过程可以延续下去,逐阶求出第三阶,甚至更高阶的解答。
虽然频域计算量相对较小,但是在数学上是复杂的,只适合于周期稳态问题,对非恒定问题不容易处理,应用条件受到很多限制。
(2)时域理论
时域分析方法有很大的自由度,原则上可以处理完全非线性和物体任意运动的问题。根据问题的要求,可以有不同层次的处理方法,例如时域线性理论、物体大幅度运动的线性理论、二阶非线性时域理论和全非线性理论等。时域理论的计算量十分巨大,所选用的数值方法的计算速度和计算效率是决定时域理论在实际工程中应用程度的关键因素。
近年来,有关该课题的计算方法有很大的发展,但不够完善,主要反映在对波浪作用下的非线性载荷及运动响应的计算问题解决得还不理想。

算是基本理论,后续慢慢增加!响应斑竹号召!
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diego 财富 +25 参与讨论 2009-06-22
diego 财富 +10 第一人参与讨论 2009-06-22
离线stone123
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只看该作者 5楼 发表于: 2009-06-22 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
针对目前常用的水动力的计算程序,基本的计算过程都是一致的。对于水动力学计算的话,关心的并不是内部结构,关心的还是外表面的特征,和锚泊与立管的基本情况。目前最为关键的国内对这些软件的承认和购买程度。

从目前的情况来看,DNV的SESAM软件算是拥有较大的用户群,但是由于价格或后续的维护费用比较高,现在较多的应用也是高校或者中海油。WAMIT虽然提供Demo版,但是前后处理需要较强的专业知识,尤其是对附加质量(Added mass)和附加阻尼(Damping)的计算。所以目前的情况来看,版主提议讨论的这几个软件,所了解的范围都较小。我想这个也许就是为什么讨论的较少吧!
[ 此贴被diego在2009-06-25 06:41重新编辑 ]
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diego 财富 +25 分析讨论 2009-06-22
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只看该作者 6楼 发表于: 2009-07-01 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
谈到水动力学,尤其是船舶水动力学,不能不说的就是美国的纽曼教授,WAMIT的开发者,贴上他的一本经典书籍Marine Hydrodynamic
附件: Marine Hydrodynamics.part1.rar (4096 K) 下载次数:5 ,你所在用户组没有附件下载权限 VIP会员免积分下载
附件: Marine Hydrodynamics.part2.rar (3769 K) 下载次数:4 ,你所在用户组没有附件下载权限 VIP会员免积分下载
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diego 财富 +20 参与讨论 2009-07-01
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只看该作者 7楼 发表于: 2009-07-23 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
水动力学:研究水和其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科。又称液体动力学。液体动力学和气体动力学组成流体动力学。液体动力学的主要研究内容如下:①理想液体运动。可忽略粘性的液体称为理想液体,边界层外的液体可视为理想液体,其运动符合理想流体运动规律。②粘性液体运动。分析大粘度液体(如润滑油)的流动状态、水流的能量损失、船舶的摩擦阻力、边界层和尾迹等都须考虑液体粘性。③空泡流。液体流经压强足够低的区域时,内部气化形成空泡,除空泡溃灭产生冲击,造成边壁材料剥蚀破坏外,还会形成空泡绕流现象。④多相流动,挟有固体颗粒、掺有气泡等物质的液体流动,如含沙水流、掺气水流等。⑤非牛顿流体流动。剪应力和剪切变形速率不成线性关系的液体(如加入高分子聚合物的水)的流动。⑥自由表面流动。流动液体的部分边界是液体和气体的分界面,其上的压力接近常数,明渠流、液体自由表面波、物体从空气进入水中时带入空气而形成的空泡流动等均属这种流动。⑦分层流。两层或多层密度不同的液体可形成分层流,密度差可由不同液体产生,也可由含盐、含沙量不同或温度不同所引起。⑧水弹性问题。在某些条件下,流过固壁的液体可引起边壁振动,这种振动又反过来改变流动特性;研究液体与弹性体相互作用的理论称为水弹性力学。水动力学既是一门基础理论学科,又是一门应用学科,主要用于水利水电工程、造船工程、海洋工程、近代水中武器、化工、环保工程、石油开采等领域。
  水动力学研究主要类型:
  按不同类型水流运动的特点主要分为下列几类:
  ①有压管流。研究输送液体的各种管道的流量和沿管压强变化的计算,也包含流动瞬变时发生水击的分析。
  ②明槽流。包括河渠中正常均匀流动;非均匀渐变流动,主要为水面线的分析;急变流动,如水跃现象等;非定常流动,如洪水计算等。
  ③孔流。各种小孔口和喷嘴在压力水头下的出流以及水工中闸门大孔泄流的计算。
  ④堰流。各种量水堰和溢流坝等水工建筑物的顶上过流的计算。
  ⑤渗流。研究多孔介质中主要是地下土壤中的渗流运动规律,也包括地下水对建筑物基础的浮托力计算。
  ⑥挟沙水流。研究挟带泥沙的河渠中浑水的流动规律,也包括物料输送管道的流动。
  ⑦水力机械中的流动。主要为水轮机和水泵等叶轮机械中的流动特性。
  ⑧波浪。研究各种水波的运动特性和波浪对建筑物的波压力。
  水动力学发展与理论基础:
  十八世纪初叶,经典水动力学有迅速的发展.欧拉、丹尼尔、伯努利是这一领域中杰出的先驱者。 十八世纪末和整个十九世纪,形成了两个相互独立的研究方向:一是运用数学分析的理论流体动力学;一是依靠实验的应用水力学。开尔文、瑞利、斯托克斯、兰姆等人的工作使理论水平达到相当的高度,而谢才、达西、巴赞、弗朗西斯、曼宁等人则在应用水力学方面进行了大量的实验研究,提出了各种实用的经验公式。
  十九世纪末,流体力学的发展扭转了研究工作中的经验主义倾向,这些发展是:雷诺理论及实验研究;雷诺的因次分析;弗劳德的船舶模型实验;空气动力学的迅速发展。二十世纪初的重要突破是普朗特的边界层理论,它把无粘性理论和粘性理论在边界层概念的基础上联系起来。
  二十世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题:高浓度泥沙河流的治理;高水头水力发电的开发;输油干管的铺设;采油平台的建造;河流湖泊海港污染的防治等。使水力学的研究方向不断发展,从定床水力学转向动床水力学 ;从单向流动到多相流动;从牛顿流体规律到非牛顿流体规律;从流速分布到温度和污染物浓度分布;从一般水流到产生渗气、气蚀,引起振动的高速水流。以电子计算机应用为主要手段的计算水力学 也得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科将逐渐与流体力学合流。
  水动力学的研究方法:
  一、理论分析:
  经典力学的基本原理:
  牛顿的三大定律、动量定理、动能定理
  水流运动的基本方程式:
  连续性方程、能量方程、动量方程
  二、科学试验及测试方法
  1、原型观测
  2、模型试验
  3、系统试验
  4、数值模拟
  水动力学主要测试要素:
  1.流速与流向测量
  2.动水压力的测量
  3.水位和浪高的测量
  4.流量的测量
  5.掺气水流的测量
  6.空化水流的测量
  7.泥沙的测量
  8.水下地形的测量
  9.应力和应变的测量
  10.振动的测量
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diego 财富 +25 版块管理 2009-07-23
离线jiesen
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只看该作者 8楼 发表于: 2013-03-31 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
谢谢分享啊
离线lenardlenard
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只看该作者 9楼 发表于: 2013-12-27 | 石油求职招聘就上: 阿果石油英才网
very good, I appreciate.

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