海上浮式环形平台内域水体共振频域数值分析

海上浮式旅游平台作为新型海洋结构具有较好的发展前景。其中浮式环形平台结构的内域水体可作为浮式游艇港,但内域水体封闭性的增加也将引起类似月池共振的水体共振问题,影响码头泊稳条件。采用线性势流频域方法研究了平台吃水深度、结构运动响应和平台开口形状对内域水体共振响应特征的影响。结构吃水深度增加,水体共振频率向低频方向偏移,第0～2阶共振幅值随吃水深度增加而增加;结构运动引起水体共振频率向高频方向偏移,并且结构运动响应共振区间与第0～3阶水体共振频率范围重合,纵摇运动对内域水体共振模态分布影响较大,其他自由度影响较小。为抑制内域水体共振,提出在水面线处增设薄板和人工阻尼区域两种方案,结果表明：增设薄板可有效降低高频处水体共振,添加阻尼区域可在整个波浪频率范围内达到抑制水体共振的目的。     

传统Spar平台和型组合共振运动响应研究

研究传统Spar平台在长周期规则波浪下的和型组合共振现象.考虑垂荡与纵摇运动的相互影响以及瞬时波面对于纵摇运动的参数激励作用,建立平台两自由度耦合运动方程.采用多尺度法导出了当波浪频率接近垂荡与纵摇固有频率之和时方程的一阶摄动解.针对一座实际Spar平台,通过求解幅值分岔方程,得到平台在不同波高下的运动响应并进行了数值模拟.计算结果发现,当波浪幅值超过某一极限值时,平台出现较大幅值的垂荡与纵摇亚谐共振运动.研究结果揭示了Spar平台出现和型组合共振的条件和组合共振时的动力特性.     

半潜式平台气隙量数值预报方法研究

以半潜式平台为研究对象,基于势流理论开展了有义波高Hs=10 m,谱峰周期Tp=15.4、14.1、12.8、11.8及10.6 s,有义波高Hs=8 m,谱峰周期Tp=10.1及9.6 s,浪向角β=0°、30°、45°、60°及90°,共计35个工况下半潜式平台气隙量的数值预报技术研究,计算结果表明:波浪的有义波高、特征周期及浪向角对半潜式平台气隙量的影响较大,半潜式平台甲板边缘易出现负气隙,同时平台垂向固有周期应避免与波浪的统计周期相同或接近。     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。     

相同尺度地形与背景流共振生成内孤立波机制

为研究内孤立波的地形和背景流共振机制,用地形和背景流共振机制计算了3个潜标观测的内孤立波(不同模态、不同波长)的流速和传播速度,并与观测到的内孤立波进行比较。潜标观测的第一模态内孤立波(波长分别为6.4和3.3km)都是下凹型内孤立波,2个内孤立波的传播速度约为1.4m/s、最大振幅约为48m,水平流向结构都是上层西北向、下层东南向,波长3.3km 的内孤立波波峰前后有更明显的下降流和上升流。用共振机制计算出的第一模态和第二模态纬向流速的垂向结构与观测相同,最大纬向流速出现的深度与观测一致,分别相差5和12m。用共振机制计算出的内孤立波传播速度与用 KdV 方程计算的传播速度相当,共振机制计算波速为0.66~1.21m/s,KdV 方程计算波速为0.79~1.40m/s。     

深吃水半潜式平台参数共振研究

深吃水半潜式平台(deep draft semi-submersible,DDS)作为一种新型海洋结构物,既继承了传统半潜式平台的优点,又改善了传统半潜式平台垂荡运动性能差的不足。但随着吃水的增加,DDS纵摇运动参数共振也成为一个不容忽视的问题。当DDS纵摇运动固有周期和垂荡运动周期满足一定关系时,纵摇运动将发生参数共振,纵摇角度将会显著增大。研究推导了DDS纵摇运动方程,并简化为标准的马修方程,运用希尔无穷行列式法求解马修方程,得到了含阻尼的马修稳定性图谱,并结合具体算例讨论了不同参数对DDS纵摇运动参数共振问题的影响。研究表明:深吃水半潜式平台的参数共振,是设计人员在设计之初必须考虑的问题;通过合理选取平台的系统参数,可以有效避免纵摇运动参数共振现象的发生。     

内孤立波作用下Spar平台动力响应特性

以三类内孤立波理论(Kd V、e Kd V和MCC)的适用性条件为依据,采用Morison和傅汝德-克雷洛夫公式分别计算Spar平台内孤立波水平力和垂向力,结合时域有限位移运动方程,建立了有限深两层流体中内孤立波与带分段式系泊索Spar平台相互作用的理论模型。以东沙群岛某海域实测内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下某经典式Spar平台的内孤立波动态载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对Spar平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度水平漂移运动,而且还会使其系泊张力显著增大。因此,在Spar平台等深海平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

基于非线性数学模型的半潜式平台共振运动特性研究

共振运动是深海浮式平台设计的关键考虑因素之一,对海洋平台的作业具有重要影响。采用半潜式平台运动的非线性耦合数学模型,考虑浮筒和横撑出入水以及垂荡、横摇和纵摇运动耦合对平台浮力和恢复力的影响,研究半潜式平台非线性共振运动特性,以及不规则波浪参数对运动的影响。研究表明:在非线性耦合运动和浮力变化的影响下,半潜式平台纵摇和垂荡运动的固有周期会随运动幅值的增大而逐渐减小,且最终趋于稳定,对纵摇运动周期的影响更为显著;非线性效应会使半潜式平台产生显著的低频纵摇共振响应,以及共振频率漂移的现象,且受随机种子和波浪周期的影响较小。     

内孤立波中半潜平台动力响应特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式,研究了两层流体中内孤立波与带分段式悬链系泊约束半潜平台的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析了在该内孤立波作用下SEDCO-700型半潜平台的内孤立波载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对半潜平台产生突发性冲击载荷作用,使其产生大幅度水平漂移运动,并导致其系泊张力显著增大,因此在半潜平台等深海平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

不同结构形式张力腿平台水动力参数比较分析

随着张力腿平台(TLP)在深海油气开发领域的广泛应用,在早期传统式(C-TLP)的基础上衍生出了多种结构形式,其中还有延展式(E-TLP)、最小化深海水面式(MOSES)和海之星式(SeaStar)已具备业界建造运营经验。为了体现TLP各类结构形式的性能特点,服务于工程开发方案中平台构型选择,本文基于三维势流理论频域方法,针对现已建造的4种TLP的水动力性能及相关参数进行了对比研究。首先,在质量惯性、结构刚度相似的条件下,完成了各类型平台的主尺度方案;其次,采用SESAM软件分析计算了各方案设计平台的附加质量、势流阻尼和运动响应幅值算子(RAO);最后的结果对比表明,不同结构形式对张力腿平台的固有周期影响很大,分散立柱形式的C-TLP与E-TLP的垂向运动响应更小。     

波浪作用下铰接式层合浮体的水弹性响应研究

在工程设计中,通常采用模块化方式制造超大型浮式结构物,将巨大的单体结构分割成多个较小模块,后期通过合适的连接器拼装形成。为了明确多模块超大浮体在波浪作用下的水弹性响应,以两个相邻层合浮体（高刚度面板和低密度芯材）为研究对象,建立波浪作用下铰接层合浮体水弹性响应的高阶势流模型。采用匹配特征函数展开法求解流体运动的速度势,探讨了铰接处弹簧刚度对浮体的反射系数、透射系数、挠度、弯矩和剪力的影响规律。研究结果表明：迎浪侧浮体的存在可以有效降低背浪侧浮体的挠度、弯矩和剪力幅值;与垂直弹簧相比,扭转弹簧刚度的增加可以更加有效抑制铰接层合浮体的水弹性响应;当扭转弹簧刚度大于一定值时,继续增大弹簧刚度对浮体的动力响应不产生影响。     

四层成层水域内波的研究

运用小振幅波理论研究了四层成层水域的内波运动，给出了四层成层状态下的各界面波波面位移和各层速度势的解析表达式及各层深度平均流速分布和内波波动频散关系，并与三层成层水域内波的解析结果进行了比较。     

Numerical modeling on the interaction of internal solitary wave with slope-shelf and modal analysis

On the basis of a nonhydrostatic numerical model,the interaction of internal solitary wave with slope-shelf was studied.The breaking and polarity transformation were analyzed.A "kink" structure,due to shoaling topography and higher nonlinear effect,was found to be generated by the leading wave before breaking.Coherent vortex shedding behind the leading wave was presented.The evolution characteristics of the modal structure were analyzed based on the empirical orthogonal function method.The modal structure was complicated due to the effect of the variable topography,especially when breaking occurred.In the performed experiments,the contributions to the total variance from higher mode jumped from no more than 20% to over 40%.     

浮体间距对多浮体系统水动力系数的影响

根据三维线性势流理论，采用格林函数法，对多浮体系统的水动力系数进行了数值分析。数值算例中给出了在固定波频下水动力系数与浮体间相对位置关系曲线。水动力系数的变化幅度随着浮体间距离增大而变小。随着浮体间距的变化，水动力系数极值的出现具有明显的规律，相邻的极大值(或极小值)的间距为半个波长或一个波长。     

海洋内孤立波作用下潜体运动响应特性研究

2021年4月印度尼西亚海军“南伽拉402”号潜艇在巴厘岛以北约60海里（111.12 km）处发生沉没,分析表明大振幅海洋内孤立波作用可能是事故原因之一。基于大振幅内孤立波eKdV理论与Morison公式建立了内孤立波作用下潜艇的运动学模型,揭示不同内孤立波振幅、潜艇潜深条件下潜艇的运动响应特性,进一步说明内孤立波可能造成印度尼西亚潜艇失事。结果表明：内孤立波对潜艇的运动状态产生巨大影响。垂直方向上潜艇在短时间内产生大幅度掉深,而水平方向上其运动方向在密度界面上或界面处与内孤立波传播方向一致,界面下则相反,且内孤立波产生的垂向力矩可能造成潜艇倾覆。不同波幅、潜深下潜艇表现出不同的运动响应规律。研究表明印度尼西亚潜艇失事可能是潜艇执行任务过程中遭遇了较大振幅内孤立波,导致其发生大幅度、迅速掉深。     

基于数值模式的南海北部深层内潮季节变化特征分析

本文基于MITgcm非静力数值模式,采用实际地形、层结和潮流强迫,开展南海北部内潮数值模拟敏感性试验,分析夏冬两个季节南海北部深层内潮的差异。结果显示在南海北部深层,冬季K₁和M₂内潮流速振幅比夏季强10.1%和44.7%。垂向模态分析结果进一步表明,尽管南海北部深层冬季第一模态内潮动能密度比夏季低15.5%,但第二和第三模态内潮则是冬季比夏季高约25.1%和33.2%,导致冬季深层流速的垂向剪切大于夏季,表明冬季较强的高模态内潮可能是冬季南海深层强混合的一个原因。     

不规则波对浪溅区结构物冲击作用的试验研究——频域分析

对不规则波对浪溅区结构物的冲击作用实验结果进行了谱分析研究。给出了不同试验组次的结构物底面所受波浪冲击压力的谱分析结果，得到了结构物底面所受波浪冲击压力的谱矩m0沿结构物底面的分布规律，讨论了入射波波要素和结构物底面距静水面的相对高度s/H1/3对作用于结构物底面的冲击压力谱矩m0,avg的影响，给出了平均冲击压力谱矩m0,svg.与统计分析的压力特征值Pc的关系。     

调谐质量阻尼器对海洋平台的减振效果分析

目前调谐质量阻尼器(TMD)的研究和设计多数是依据结构的第一阶模态进行的,忽略了TMD对结构其它模态的影响。为了明确TMD是否会对结构的高阶模态造成不利的影响以及影响的程度,论文采用模态分析法将海洋平台-TMD系统进行模态分解,推导出系统各阶模态的状态空间方程。并以一海洋平台为算例,讨论TMD针对结构的某一摸态进行设计时对各阶模态响应的减振效果,仿真的结果表明TMD对设计的模态有较好的减振效果,但对平台的其它模态响应的减振幅度有限,甚至产生不利影响,使某些模态的振动响应增幅较大。