Вы здесь

Стійкість морських бурових платформ на м'яких та рухливих ґрунтах

Автор: 
Душко Вероніка Ростиславівна
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2007
Артикул:
3407U001385
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ МОРСКИХ БУРОВЫХ
ПЛАТФОРМ НА МЯГКИХ И ПОДВИЖНЫХ ГРУНТАХ
В настоящем разделе выполнено обоснование методов исследования устойчивости МБП различных типов на мягких и подвижных грунтах. В их основе лежит требование МРС [64] о том, что суммарная нагрузка и опрокидывающий момент на платформу должны быть не менее чем в 1,5 раза меньше силы и момента удержания платформы на грунте.
Суммарная нагрузка определяется в результате решения задачи трехмерного взаимодействия волновых и стационарных течений с пространственными конструкциями МБП различного типа. Инерционная составляющая вычисляется с использованием расчета ускорений потока и коэффициента инерционного сопротивления.
Учитывается вероятностное распределение нагрузок в зависимости от скорости ветра и направления распространения волн.
Характеристики размыва и аккумуляция грунта вычисляются на основе результатов расчета придонной скорости при обтекании платформы, с учетом вероятностного распределения фракций донного материала по характерным размерам частиц.

2.1. Внешние силы, действующие на МБП различного типа
Внешние гидродинамические силы, действующие на МБП, относятся к числу основных воздействий и при штормовых условиях достигают значительных величин порядка 103...104 кН [3, 69, 85]. Взаимодействие волновых и стационарных течений с различными препятствиями на морском дне рассмотрено во многих публикациях [81, 82, 89, 95]. В таких моделях, как правило, рассматриваются препятствия простой формы, а расчеты выполняются в двухмерной постановке. Впервые гидродинамические нагрузки на неподвижную цилиндрическую колонну были исследованы Морисоном [84, 99] по модели которого, волновая нагрузка на единицу длины колонны определяется по соотношению [29]:

, (2.1)

где - плотность воды, кг/м3,
- диаметр колонны, м;
, - соответственно коэффициенты сопротивления, волновой и инерционной составляющей нагрузки. Величины этих коэффициентов зависят от безразмерных чисел Кьюлегана-Карпентера (, здесь - амплитуда волновой скорости течения, м/с, - период волны, м, - диаметр колонны, м) [82],
- соответственно горизонтальная волновая скорость течения и волновое ускорение, м/с, м2/с.
Количество экспериментальных данных, устанавливающих зависимость коэффициентов сопротивления от безразмерных чисел Кьюлегана-Карпентера, весьма ограничено и поэтому в инженерной практике оба коэффициента полагают для простоты расчетов постоянными [80]. В работе [3] приведены некоторые соотношения для определения значений коэффициентов сопротивления, а также их величины по рекомендациям различных нормативных документов. Так, для элементов опорного основания ПБУ значение коэффициента скоростного сопротивления находится в пределах 0,5...0,75, для призм с прямоугольным сечением 1,0...2,0. По результатам модельных испытаний, приведенных в [25], коэффициент сопротивления для элементов прямоугольной формы находится в пределах 1,1...1,44. Таким образом, существует значительная неопределённость в величинах указанных коэффициентов сопротивления, которые определены, главным образом, в лабораторных условиях на упрощенных моделях конструктивных элементов. При этом условия подобия по числам Рейнольдса, Фруда и другим далеко не всегда удается выполнить. Кроме этого, в лабораторных условиях, как правило, не удается учесть такие существенные факторы воздействия реальных течений на МБУ, как сложные формы трехмерных конструкции, из которых построены платформы; различные направления волнового обтекания; влияние зазоров между конструктивными элементами; влияние морского дна. Между тем, имеющиеся справочные данные об аэрогидродинамике плохообтекаемых конструкций, дают сложные зависимости коэффициентов сопротивления при учете этих факторов [25].
Таким образом, представленные оценки внешних сил являются неточными и неполными, так как при этом не учитываются следующие факторы:
1. Изменение поля естественных волновых течений при их взаимодействии с конструкцией МБП;
2. Сложные (в общем случае нелинейные) зависимости между гидродинамическими силами и характеристиками волн, направлением их распространения, конструктивными особенностями платформы.
Все это является причиной значительной неопределенности и, часто, неточности результатов расчетов гидродинамических нагрузок и опрокидывающих моментов, действующих на МБП различного типа.
Изложенные недостатки традиционного подхода для расчетов внешних сил на сложные трехмерные конструкции буровых платформ с одной стороны, и развитие численных методов гидромеханики на основе использования современных ЭВМ, с другой, являются основой другого, более прогрессивного подхода для решения указанного типа задач. Этот подход основан на разработке общих численных схем расчета пространственного распределения скорости течения и давления на основе уравнений гидромеханики, в которых элементы конструкций МБП задаются в виде граничных условий [2, 14, 22].
В настоящее время известно большое число работ, посвященных теоретическим и численным исследованиям структуры течения вязкой жидкости при обтекании различных препятствий [9, 90, 100]. Тем не менее, эту проблему нельзя отнести к числу решенных, так как при турбулентном режиме течения () решение основных гидродинамических уравнений становятся неустойчивым даже при относительно мелкой расчетной сетке и маленьком временном шаге.
Для решения нестационарных задач, связанных с взаимодействием различных течений с обтекаемыми объектами, используют осреднение уравнений Навье-Стокса по Рейнольду, причем турбулентные эффекты рассматриваются как параметры течения или крупномасштабные время-зависимые эффекты. При этом существует хорошо известная проблема параметризации тензора подсеточных напряжений. В наиболее простом случае используется гипотеза Буссинеска, в соответствии с которой этот тензор выражается через градиенты осредненных составляющих скорости течения и п