多浮體水動(dòng)力干擾研究.pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人類對(duì)石油天然氣資源的需求不斷增長,海洋領(lǐng)域的油氣開發(fā)越來越受到人們的重視,深海平臺(tái)作為開發(fā)深海油氣資源的必需技術(shù)裝備,其需求量和投資額也持續(xù)快速增長,與此同時(shí),相應(yīng)的海上施工中出現(xiàn)了更多的多浮體系統(tǒng),如海洋平臺(tái)上層組塊在海上的雙船浮托安裝、FLNG與LNG運(yùn)輸船的并排裝卸操作等。在波浪作用下多浮體之間存在著較為復(fù)雜的水動(dòng)力干擾,因此,對(duì)于浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與受力、浮體周圍波浪升高的預(yù)報(bào)研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。

2、　　本文選用浮托安裝中的并排雙駁船系統(tǒng)為研究對(duì)象,綜合采用經(jīng)典勢流理論、模型試驗(yàn)、CFD模擬和基于擬理想流體的勢流修正多種研究方法,對(duì)其在波浪中的水動(dòng)力干擾現(xiàn)象與周圍的流體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　　對(duì)于雙駁船系統(tǒng)的水動(dòng)力分析,首先采用經(jīng)典勢流理論,在頻域范圍內(nèi)計(jì)算兩船間距3 m時(shí)相互作用的水動(dòng)力系數(shù)和在其不同方向入射波作用下的波浪激勵(lì)力、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與平均漂移力,并對(duì)雙船周圍的波面升高分布情況進(jìn)行了監(jiān)測。計(jì)算結(jié)果顯示:與單駁船結(jié)果

3、相比,雙駁船相互干擾的水動(dòng)力參數(shù)在某些波浪周期時(shí)出現(xiàn)了新的共振峰值;雙駁船在橫浪作用下,由于遮蔽效應(yīng),背浪船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)明顯小于迎浪船;共振情況下,兩船間隔內(nèi)部水體運(yùn)動(dòng)劇烈,出現(xiàn)了十分顯著的波浪放大,波面升高遠(yuǎn)大于入射波波高;當(dāng)波浪周期進(jìn)一步減小時(shí),兩船間隔內(nèi)部出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)。將首浪情況下的計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)由于勢流計(jì)算中未考慮到流體的粘性與能量耗散,共振周期處的各水動(dòng)力參數(shù)及波面升高的計(jì)算值過大,存在明顯的失真,但勢流計(jì)算

4、可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測共振周期所在位置。
　　在之前研究的基礎(chǔ)上,對(duì)雙駁船水動(dòng)力共振的規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)分析。研究兩船固定與限制各自由度運(yùn)動(dòng)情況下共振周期的變化情況,發(fā)現(xiàn)間隔內(nèi)部的水體共振是船體運(yùn)動(dòng)與流體運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果,船體的橫蕩、垂蕩與首搖運(yùn)動(dòng)是影響共振的主要因素。建立多個(gè)不同間距、船長、船寬與吃水的雙駁船水動(dòng)力模型進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)敏感性分析,研究表明:隨著兩船間距、船體尺度或吃水的增加,共振周期(波長)也相應(yīng)增大,其增長模式可采

5、用指數(shù)模型擬合。
　　為了進(jìn)一步揭示兩船水動(dòng)力相互干擾的機(jī)理,觀察共振情況下船體周圍的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,采用FLOW-3D軟件對(duì)兩船實(shí)際間距3 m時(shí)的共振工況進(jìn)行了CFD模擬。首先建立三維數(shù)值波浪水池并通過將所造波浪與理論解比較進(jìn)行驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上在數(shù)值水池中添加運(yùn)動(dòng)雙駁船模型實(shí)現(xiàn)了雙駁船的垂向運(yùn)動(dòng)與流體流動(dòng)的耦合求解。CFD模擬結(jié)果與相應(yīng)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示三維數(shù)值水池可以較好的模擬船體間距內(nèi)的波面升高,通過詳細(xì)分析一個(gè)規(guī)則波周期內(nèi)

6、兩船周圍的水體運(yùn)動(dòng)情況,揭示了間距內(nèi)放大的波面升高主要是由船底流體流動(dòng)引起,而不是由于間隔前后的入射波與繞射波疊加作用。
　　由于經(jīng)典勢流理論計(jì)算得到的浮體各水動(dòng)力參數(shù)以及波面升高峰值過大,存在明顯的失真,因此針對(duì)此問題采用基于擬理想流體假設(shè)的加蓋阻尼法對(duì)勢流計(jì)算結(jié)果的修正進(jìn)行研究。
　　綜上所述,本文對(duì)多浮體水動(dòng)力干擾以及浮體周圍的流體運(yùn)動(dòng)展開了系統(tǒng)深入的研究,具有一定的創(chuàng)新性與工程實(shí)踐意義,為多浮體水動(dòng)力干擾問題的機(jī)理揭