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深吃水半潜式生产储卸油平台低频运动特性及数字孪生方法研究

摘要

“深海一号”能源站是部署在陵水17-2气田之上的深吃水半潜式生产平台，

为世界首个深水半潜式立柱储油生产平台。与常规半潜式生产平台不同，该平台

需要在立柱内储存最多两万立方的凝析油，给平台立柱结构设计、平台在位性能、

凝析油储卸安全控制等带来前所未有的技术挑战。本论文以“深海一号”能源站

为研究对象，对其低频运动特性及数字孪生方法开展研究。

为了给数值方法和孪生模型的验证提供可靠数据，在海洋工程水池开展缩尺

比为1:60的“深海一号”能源站水池模型试验。为了克服水池深度的限制，开展

了系泊和立管系统截断研究，确保系泊和立管系统的等效截断模型与原型系泊和

立管系统的特征相似。通过自由衰减试验，获取了“深海一号”能源站的固有周

期等特性。进一步地，开展了不同重心高度和不同海况下平台总体运动性能试验，

获取了自由液面升高、六自由度运动、系泊系统张力及立管系统张力等响应，并

对实验数据进行了总结和分析。

开展平台总体运动性能频域预报方法研究，建立频域求解三维无航速浮体与

波浪相互作用的定解问题的控制方程和边界条件。采用频域格林函数方法，对三

维深水无航速边值问题的一阶扰动速度势及梯度的线性水动力学进行求解，进而

对二阶平均波漂载荷进行计算。基于该方法，对“深海一号”能源站的水动力系

数、一阶水动力和二阶水动力等进行计算，与WAMIT软件的数值结果进行对比，

验证该数值模型的准确性，并为时域耦合数值模型提供数据输入。

建立基于势-粘流双向耦合方法的数值水池，内场求解粘性流场，外场采用

势流方法进行模拟，两者通过耦合区进行数据匹配，采用重叠网格技术对浮体的

运动进行模拟。流场控制方程采用有限体积法进行离散，并在开源程序类库

OpenFOAM中进行程序开发。通过对截断圆柱强迫振荡模拟和深吃水半潜式在

规则波中运动的模拟，验证了该方法的计算精度和计算效率。基于该方法，进行

“深海一号”能源站强迫振荡运动模拟，以获取平台不同位置及几何形式的立柱

及横撑剖面粘性阻尼特性，进而用于修正时域耦合数值模型中的平台粘性力。

建立非线性平台-系泊时域耦合分析模型，一阶波浪力和静水力在瞬时湿表

面上进行求解，辐射力采用脉冲响应方法计算，二阶波浪力采用二阶差频波浪载

荷二阶传递函数进行计算。流体粘性作用力通过建立莫里森杆元模型进行计算，

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哈尔滨工程大学博士毕业论文

并考虑实际波面下的湿杆元长度来计算粘性力。系泊系统采用绝对节点坐标法进

行模拟，并采用弱耦合的形式与平台进行耦合。基于该方法，开展深吃水半潜式

平台在不同装载工况和海况下的模拟，并与模型试验数据进行对比，验证该方法

的准确性。根据数值和试验结果，对平台的低频运动特性和产生机理进行分析。

面向现场作业安全保障，建立了基于势流理论的“深海一号”能源站实时动

态孪生模型，结合在役海洋平台现场监测技术和环境预报技术，建立了实时动态

预警、实时安全评估、中长期作业评估决策等多项智能化功能模块，能够迅速拓

展到漂浮式风机等各类浮式装置。

关键词：“深海一号”能源站；低频运动特性；势-粘流双向耦合方法；时域

耦合分析；实时动态孪生；

II

深吃水半潜式生产储卸油平台低频运动特性及数字孪生方法研究

ABSTRACT

DeepSeaNo.1energystationisadeep-draftsemi-submersibleproduction

platformdeployedonLingshui17-2gasfield,anditistheworldsfirstdeep-water

semi-submersibleoilstorageproductionplatform.Differentfromtheconventional

semi-submersibleproductionplatform,theplatformneedstosto