随着陆地和近海油气资源日渐枯竭,海洋油气资源开发不断向深海延伸。传统的深海油气田开采需要两套功能独立的系统,即钻井系统和生产储油系统,这种开发模式不但投资巨大,而且生产周期较长。Spar FPSO平台是把Spar平台的钻井采油功能与FPSO的储油卸油功能结合起来,形成的一种新型多功能深水平台。目前,Statoil已经在建造世界上第一座Spar FPSO平台,平台的设计工作由Technip完成,船体由现代重工建造,计划于2018年安装在挪威海域Aasta Hansteen气田。Aasta Hansteen Spar FPSO平台的储油量为16万桶,采用干式储油技术实现储卸油操作。由于干式储油技术不仅极大地限制了水下储油系统的有效储油量,而且储油的成本较高、安全性较低。因此,国家“千人计划”专家王晋博士提出了一种采用油水置换湿式储油技术的新型Spar FPSO平台概念。该钻井生产储卸油多功能平台,储油量大,经济性好,安全可靠性高,能极大地提高深水工程技术解决方案的灵活度并有效降低深水油田开发的总成本。新型Spar FPSO平台概念已在中国和美国获得专利授权,相关研究工作也得到了中国海洋石油总公司的大力支持。油水置换湿式储油技术在国外已有50多年的成功应用经验,被广泛应用于海底储油舱和重力式储油平台。新型Spar FPSO平台湿式储油系统与国外数十个湿式储油系统的最大区别是前者在晃动环境下工作,这一特点给储油系统的工艺设计和结构设计带来许多困难和挑战。由于Spar平台的钻采工艺设计已经比较成熟,因此,动态湿式储油技术是新型Spar FPSO平台能成功用于深水油田开发的核心关键技术。本文作为中国海洋石油总公司研究课题“Spar钻井生产储油平台概念设计研发”和“新型Spar浮式储油装置油水置换中试方案研究”等相关项目的重要组成部分,旨在深入研究新型Spar FPSO平台湿式储油系统涉及的油水界面晃荡和油水传质传热等多个关键技术问题。论文主要研究内容如下:(1)总结了国外已建成的数十个海洋油水置换湿式储油结构物,阐述了新型Spar FPSO平台湿式储油系统需要研究的问题,并详细归纳了液体晃荡和油水置换湿式储油技术的研究现状。(2)基于原型储油系统,确定了新型Spar FPSO平台储油系统模拟试验的各关键参数值。按照40:1的几何比例缩小原型系统,建立一套完整的原油储存与卸载试验装置。设计了一台承重量较大的单自由度运动平台,该平台操作简便,可模拟各种角度、频率的规则摇摆运动,也可模拟新型Spar FPSO平台在不同海况下的不规则摇摆运动。通过组合平台运动情况(不考虑风浪流等环境载荷导致的平台运动、一年一遇海况和百年一遇海况下平台的摇摆运动)、原油物性(中质油和重质油)、环境温度(夏季、秋季和冬季)和储卸油速度(设计速度和加倍速度)等条件,设计了多个试验工况,对新型Spar FPSO平台储油系统储卸油流程进行试验测量。试验过程中,通过取样分析置换水中含油量的变化以及油水的乳化情况,研究油水的传质规律;通过实测舱外环境温度和舱内油水温度场分布随时间的变化情况,研究油水的传热规律。(3)为得到一套准确高效的数值方法研究新型Spar FPSO平台储油舱内油水界面的晃荡现象,本文首先基于矩形储舱单层液体晃荡试验结果对晃荡模拟涉及的主要数值参数和算法,包括网格尺度、时间步长、离散方法、差分格式、界面捕获方法、界面张力模拟方法和湍流模拟方法等,进行系统的适用性评价。这里,界面捕获方法除了考虑常用的VOF方法外,还考虑一种能够克服Level Set方法质量不守恒和VOF方法相函数不连续等缺点的CLSVOF方法;湍流模拟方法除了考虑层流假设、RANS模型和LES模型外,针对RANS模型和LES模型分别在计算精度和计算效率上的不足,还提出了一种新的VLES模型。通过对两种界面捕获方法和四种湍流模拟方法得到的液相速度场、自由表面形状和舱壁冲击压力进行定性和定量的比较,讨论了湍流效应和界面重构对计算结果的影响,评价了各个数值方法的性能。随后,采用前面适用性评价得到的一套多相流模拟方法研究矩形储舱两层和三层液体晃荡现象,并通过计算结果与试验结果的比较,评价该套方法在多层液体晃荡数值模拟中的适用性。同时,研究了多液体储舱内液液界面出现的Kelvin-Helmholtz不稳定性现象以及该现象的产生机理。(4)对新型Spar FPSO平台储油舱内油水界面的晃荡现象进行数值模拟研究。推导了圆柱储舱两层液体系统固有频率的计算公式,并采用自由衰减数值测试验证了计算公式的准确性。根据储油舱内油水界面振动固有频率的计算结果,确定了18个油水晃荡数值模拟工况。详细讨论了外部激励频率和激励幅值对油水界面运动幅度的影响,分析了主导油水界面运动的关键因素。重点研究了外部激励频率接近或者等于系统固有频率时油水界面的晃荡情况。(5)提出了新型Spar FPSO平台储油舱内部减晃优化方案,研究了不同宽度的垂向隔板对油水界面晃荡幅度、油水界面形状和油水速度幅值的影响,验证了所提方案的有效性,揭示了隔板的减晃作用机理。总之,本文以湿式储油技术在Spar FPSO平台的应用为研究背景,围绕浮式平台湿式储油系统的液液界面晃荡和油水传质传热等流体力学特性,在相关数值模拟方法和模型试验方法等方面都做了一些探索,得到了较为系统的、具有一定创新意义的结论,为我国系统掌握新型Spar FPSO平台关键技术提供了参考依据和技术支持,部分研究成果和结论也填补了液舱晃荡领域相关研究的空白。