波浪爬升的機理性探索和半潛式平臺氣隙響應(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超強臺風等極具破壞力的極端海況頻繁出現(xiàn)，對平臺安全性提出了嚴峻挑戰(zhàn)，諸多的安全性指標中，氣隙性能一直是半潛平臺設(shè)計過程中一個關(guān)鍵問題。氣隙規(guī)定為海洋平臺下層甲板至波面之間的垂直距離，是衡量平臺甲板是否發(fā)生砰擊和越浪的一個重要參數(shù)。
　　 傳統(tǒng)的設(shè)計觀念是下層甲板具有足夠的高度以保證波浪打不到甲板。但增加平臺初始氣隙的花費相當?shù)母?，而且甲板的高度也受到自身重量和穩(wěn)定性因素的制約，并不能無限制的增大。再者

2、，隨著海洋環(huán)境的不斷惡化，僅僅通過增大干舷高度來避免越浪發(fā)生是很難實現(xiàn)的。大多學者都一致認為增加甲板結(jié)構(gòu)的局部強度以抵抗平臺負氣隙引起的波浪砰擊比初始設(shè)計時增加平臺初始氣隙來避免主甲板任何位置發(fā)生砰擊更為經(jīng)濟和合理。準確預報平臺各處的氣隙響應(yīng)，平臺易發(fā)生越浪和非線性砰擊的位置、砰擊強度，以便在平臺設(shè)計過程中合理布置甲板設(shè)備、加固局部位置的結(jié)構(gòu)強度就顯得至關(guān)重要。
　　 半潛平臺波浪爬升和氣隙響應(yīng)的研究是目前海洋工程學科的前沿課題

3、，也是我國南海油氣開采戰(zhàn)略中的重要課題。本論文采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的研究方法，對立柱繞射和波浪爬升效應(yīng)的發(fā)生機理、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)的水動力干擾、半潛平臺波浪爬升、氣隙響應(yīng)和非線性砰擊效應(yīng)等進行了較為深入的研究。
　　 采用連續(xù)性方程和動量方程為控制方程，VOF方法求解自由液面，運用搖板造波方式，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)生反射而對工作區(qū)域造成影響，在

4、動量方程中添加源項進行消波。對多種網(wǎng)格劃分形式進行了詳細研究，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。
　　 以單立柱為對象，采用模型試驗和CFD方法對其周圍的波浪爬升和波面擾動特性進行了詳細分析。研究了入射波浪參數(shù)對立柱周圍波浪爬升效應(yīng)的影響;分析了邊波的形成機理以及其沿立柱回蕩過程中對波浪爬升的非線性諧頻成分的影響，揭示了波浪爬升過程中能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律以及水質(zhì)點運動分布特性;采用模型試驗的方法驗證了數(shù)值模型的準確性

5、，并對立柱周圍的流場分布以及自由面漩渦生成特性等進行了較為深入的機理性研究。
　　 早期的半潛式鉆井平臺由于作業(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，有必要對不同橫剖面形狀的立柱周圍波浪爬升效應(yīng)展開預報。通過CFD計算和水池模型試驗相結(jié)合的方法，得到了橫剖面形狀對波浪爬升效應(yīng)的影響，獲得了立柱周圍波

6、面擾動、表面漩渦形成、速度場分布、波浪爬升的幅度和非線性成分等隨倒角率的變化規(guī)律，為今后平臺立柱的選型提供了一定價值的參考。
　　 考慮到實際海況中波浪的多方向性，這將導致相對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)在機理。
　　 波浪傳播至深層渦流和環(huán)流海域時，波浪和

7、水流共存時的波流場并非純波動場與純水流場的簡單疊加，而是一個較為復雜的組合過程，并影響平臺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)對立柱在波流共同作用下的波浪爬升和繞射問題進行了數(shù)值模擬，分析了海流的存在對立柱的波浪爬升幅度、非線性特征、波面擾動和水平拖曳力的影響，揭示了海流對立柱周圍水質(zhì)點運動軌跡和漩渦的干擾效應(yīng)。

8、
　　 半潛式平臺通過多個立柱將平臺下甲板與水下沉箱連接，立柱之間將存在較強的水動力干擾，導致波浪沿立柱表面爬升效應(yīng)的增強以及自由面上局部波面的放大。針對不同組合方式的立柱結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法，詳細分析了外部波浪參數(shù)、立柱間距以及入射角度的變化對柱體之間水動力擾動效應(yīng)的影響;重點考察了四立柱結(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)生近場干涉現(xiàn)象時波動場的分布特征以及波面迅速放大的內(nèi)在機理。
　　 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相互作用的CFD數(shù)值模擬方案。重點考察波陡參數(shù)和波浪散射參數(shù)對半潛平臺周圍波浪爬升、非線性砰擊效應(yīng)的影響;研究了影響砰擊壓強的各種因素，給出了波浪砰擊平臺下甲板時水舌的運動特征和形狀的變化。研究了平臺運動對立柱周圍波浪爬升效應(yīng)、平臺下甲板處氣隙響應(yīng)、波

10、浪非線性諧頻成分和波浪時歷的形狀等的影響，并在水池展開了模型試驗研究，驗證了數(shù)值模擬的準確性。
　　 研究了水下沉箱的存在對平臺的周圍波浪爬升的影響，從波面的變化、水質(zhì)點的運動特性如運動軌跡、方向以及速度大小等方面展開分析。研究表明水下沉箱將增大波浪的疊加和波面的擾動效應(yīng)，并干擾水質(zhì)點自由振蕩的運動規(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、非線性極強的水

11、波，對海洋平臺的破壞性相當嚴重。采用波浪聚焦的方法研究了極限波作用下，半潛平臺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。
　　 在實際的海洋環(huán)境條件下，半潛平臺往往承受的是隨機波浪的作用。采用水動力模型試驗的方法，對隨機波浪條件下，半潛平臺的氣隙響應(yīng)，立柱附近相對波浪爬升的譜密度分布，流對平臺氣隙分布的影響等方面進行了詳細分析;研究了極限波浪下，平臺周圍的波浪爬升，運動特征、氣隙響應(yīng)以及發(fā)生砰擊現(xiàn)象時水體的非線性擾動效應(yīng);

12、分析了平臺運動同波浪之間的相位差對波浪爬升的影響，并研究了波浪之間的疊加作用對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、多柱之間的水動力干擾、多柱結(jié)構(gòu)的排列方式、立柱的間距、有無水下沉箱、平臺的運動狀態(tài)等方面著手，提出了合理的數(shù)值計算方法和模型試驗步驟，深入研究了半潛平臺周圍波浪爬升、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