波浪爬升的機(jī)理性探索和半潛式平臺(tái)氣隙響應(yīng)的關(guān)鍵特性研究.pdf

1、深海環(huán)境的不斷惡化以及近年來(lái)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等極具破壞力的極端海況頻繁出現(xiàn)，對(duì)平臺(tái)安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，諸多的安全性指標(biāo)中，氣隙性能一直是半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。氣隙規(guī)定為海洋平臺(tái)下層甲板至波面之間的垂直距離，是衡量平臺(tái)甲板是否發(fā)生砰擊和越浪的一個(gè)重要參數(shù)。
　　 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念是下層甲板具有足夠的高度以保證波浪打不到甲板。但增加平臺(tái)初始?xì)庀兜幕ㄙM(fèi)相當(dāng)?shù)母撸壹装宓母叨纫彩艿阶陨碇亓亢头€(wěn)定性因素的制約，并不能無(wú)限制的增大。再者

2、，隨著海洋環(huán)境的不斷惡化，僅僅通過(guò)增大干舷高度來(lái)避免越浪發(fā)生是很難實(shí)現(xiàn)的。大多學(xué)者都一致認(rèn)為增加甲板結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度以抵抗平臺(tái)負(fù)氣隙引起的波浪砰擊比初始設(shè)計(jì)時(shí)增加平臺(tái)初始?xì)庀秮?lái)避免主甲板任何位置發(fā)生砰擊更為經(jīng)濟(jì)和合理。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)平臺(tái)各處的氣隙響應(yīng)，平臺(tái)易發(fā)生越浪和非線性砰擊的位置、砰擊強(qiáng)度，以便在平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中合理布置甲板設(shè)備、加固局部位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就顯得至關(guān)重要。
　　 半潛平臺(tái)波浪爬升和氣隙響應(yīng)的研究是目前海洋工程學(xué)科的前沿課題

3、，也是我國(guó)南海油氣開(kāi)采戰(zhàn)略中的重要課題。本論文采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)立柱繞射和波浪爬升效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理、不同的立柱橫剖面形狀和入射角度、波流非線性耦合、多柱結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力干擾、半潛平臺(tái)波浪爬升、氣隙響應(yīng)和非線性砰擊效應(yīng)等進(jìn)行了較為深入的研究。
　　 采用連續(xù)性方程和動(dòng)量方程為控制方程，VOF方法求解自由液面，運(yùn)用搖板造波方式，建立了三維數(shù)值波浪水槽，為了防止水池末端的波浪發(fā)生反射而對(duì)工作區(qū)域造成影響，在

4、動(dòng)量方程中添加源項(xiàng)進(jìn)行消波。對(duì)多種網(wǎng)格劃分形式進(jìn)行了詳細(xì)研究，確定了最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方案，并保證了數(shù)值方法的可行性。
　　 以單立柱為對(duì)象，采用模型試驗(yàn)和CFD方法對(duì)其周圍的波浪爬升和波面擾動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究了入射波浪參數(shù)對(duì)立柱周圍波浪爬升效應(yīng)的影響;分析了邊波的形成機(jī)理以及其沿立柱回蕩過(guò)程中對(duì)波浪爬升的非線性諧頻成分的影響，揭示了波浪爬升過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律以及水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分布特性;采用模型試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性

5、，并對(duì)立柱周圍的流場(chǎng)分布以及自由面漩渦生成特性等進(jìn)行了較為深入的機(jī)理性研究。
　　 早期的半潛式鉆井平臺(tái)由于作業(yè)水深和體型較小，立柱尺度不大，因此，橫剖面形狀多為圓形，隨著鉆井和采油不斷向深海和超深海發(fā)展，平臺(tái)立柱的形狀也相應(yīng)發(fā)生了變化，包括圓形、方形以及倒角率不等的方柱形，因此，有必要對(duì)不同橫剖面形狀的立柱周圍波浪爬升效應(yīng)展開(kāi)預(yù)報(bào)。通過(guò)CFD計(jì)算和水池模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得到了橫剖面形狀對(duì)波浪爬升效應(yīng)的影響，獲得了立柱周圍波

6、面擾動(dòng)、表面漩渦形成、速度場(chǎng)分布、波浪爬升的幅度和非線性成分等隨倒角率的變化規(guī)律，為今后平臺(tái)立柱的選型提供了一定價(jià)值的參考。
　　 考慮到實(shí)際海況中波浪的多方向性，這將導(dǎo)致相對(duì)和垂直浪向的投影面形狀發(fā)生改變，從而影響波浪的爬升效應(yīng)。從波浪沿立柱周向的爬升幅值、曲線波動(dòng)位置、立柱迎浪投影面形狀、立柱等效直徑等因素出發(fā)，探討了入射角度影響波浪爬升效應(yīng)和自由表面漩渦形成的內(nèi)在機(jī)理。
　　 波浪傳播至深層渦流和環(huán)流海域時(shí)，波浪和

7、水流共存時(shí)的波流場(chǎng)并非純波動(dòng)場(chǎng)與純水流場(chǎng)的簡(jiǎn)單疊加，而是一個(gè)較為復(fù)雜的組合過(guò)程，并影響平臺(tái)周圍波浪的非線性砰擊、越浪、波浪爬升效應(yīng)。因此，研究波流共同作用時(shí)海洋結(jié)構(gòu)物所受的波浪載荷和波浪爬升顯得尤為重要。建立了波流共同作用下的數(shù)值波浪水池，并在該水池內(nèi)對(duì)立柱在波流共同作用下的波浪爬升和繞射問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了海流的存在對(duì)立柱的波浪爬升幅度、非線性特征、波面擾動(dòng)和水平拖曳力的影響，揭示了海流對(duì)立柱周圍水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和漩渦的干擾效應(yīng)。

8、
　　 半潛式平臺(tái)通過(guò)多個(gè)立柱將平臺(tái)下甲板與水下沉箱連接，立柱之間將存在較強(qiáng)的水動(dòng)力干擾，導(dǎo)致波浪沿立柱表面爬升效應(yīng)的增強(qiáng)以及自由面上局部波面的放大。針對(duì)不同組合方式的立柱結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，詳細(xì)分析了外部波浪參數(shù)、立柱間距以及入射角度的變化對(duì)柱體之間水動(dòng)力擾動(dòng)效應(yīng)的影響;重點(diǎn)考察了四立柱結(jié)構(gòu)下，內(nèi)側(cè)邊波的相互干擾和疊加效應(yīng);揭示了波浪上涌現(xiàn)象的形成原因以及其對(duì)波浪爬升的影響;研究了不同入射角度下的波浪爬升

9、、波浪疊加效應(yīng)和各立柱的受力情況，深入探索了柱群內(nèi)圍區(qū)域發(fā)生近場(chǎng)干涉現(xiàn)象時(shí)波動(dòng)場(chǎng)的分布特征以及波面迅速放大的內(nèi)在機(jī)理。
　　 基于各立柱結(jié)構(gòu)的研究工作，建立了用于求解波浪與半潛平臺(tái)相互作用的CFD數(shù)值模擬方案。重點(diǎn)考察波陡參數(shù)和波浪散射參數(shù)對(duì)半潛平臺(tái)周圍波浪爬升、非線性砰擊效應(yīng)的影響;研究了影響砰擊壓強(qiáng)的各種因素，給出了波浪砰擊平臺(tái)下甲板時(shí)水舌的運(yùn)動(dòng)特征和形狀的變化。研究了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)立柱周圍波浪爬升效應(yīng)、平臺(tái)下甲板處氣隙響應(yīng)、波

10、浪非線性諧頻成分和波浪時(shí)歷的形狀等的影響，并在水池展開(kāi)了模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
　　 研究了水下沉箱的存在對(duì)平臺(tái)的周圍波浪爬升的影響，從波面的變化、水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性如運(yùn)動(dòng)軌跡、方向以及速度大小等方面展開(kāi)分析。研究表明水下沉箱將增大波浪的疊加和波面的擾動(dòng)效應(yīng)，并干擾水質(zhì)點(diǎn)自由振蕩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;另外，沉箱的上表面將托起部分水體，從而在一定程度上抬高了沉箱區(qū)域的波面。
　　 極限波浪是一種波高巨大、非線性極強(qiáng)的水

11、波，對(duì)海洋平臺(tái)的破壞性相當(dāng)嚴(yán)重。采用波浪聚焦的方法研究了極限波作用下，半潛平臺(tái)周圍波浪爬升和非線性砰擊效應(yīng)與常規(guī)波浪的異同點(diǎn)。
　　 在實(shí)際的海洋環(huán)境條件下，半潛平臺(tái)往往承受的是隨機(jī)波浪的作用。采用水動(dòng)力模型試驗(yàn)的方法，對(duì)隨機(jī)波浪條件下，半潛平臺(tái)的氣隙響應(yīng)，立柱附近相對(duì)波浪爬升的譜密度分布，流對(duì)平臺(tái)氣隙分布的影響等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析;研究了極限波浪下，平臺(tái)周圍的波浪爬升，運(yùn)動(dòng)特征、氣隙響應(yīng)以及發(fā)生砰擊現(xiàn)象時(shí)水體的非線性擾動(dòng)效應(yīng);

12、分析了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)同波浪之間的相位差對(duì)波浪爬升的影響，并研究了波浪之間的疊加作用對(duì)波面的放大率和波浪非線性特征所產(chǎn)生的影響。
　　 本文從入射波陡參數(shù)、波浪散射參數(shù)、立柱橫剖面形狀、入射角度、波流非線性耦合、多柱之間的水動(dòng)力干擾、多柱結(jié)構(gòu)的排列方式、立柱的間距、有無(wú)水下沉箱、平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等方面著手，提出了合理的數(shù)值計(jì)算方法和模型試驗(yàn)步驟，深入研究了半潛平臺(tái)周圍波浪爬升、氣隙響應(yīng)和非線性砰擊效應(yīng)，得到了較為系統(tǒng)的、具有一定創(chuàng)新意義的