超大型海洋浮式储油系统的风险评估

对超大型海洋浮式储油系统的危险灾害识别、失效概率计算、失效后果评估、风险准则评定和风险管理决策等几个主要步骤进行了风险分析,计算结果为在设置防坡堤情况下,储油船漂移的概率为2 217×10-6,沉没的概率为6 778×10-8,结构损坏的概率为6 300×10-7,总的经济损失为70万人民币;在未设置防波堤的情况下,储油船漂移的概率为3 167×10-3,沉没的概率为9 683×10-5,结构损坏的概率为9 000×10-4,总的经济损失为9 91亿人民币。结果表明,采取合理的措施,如在储油船系泊地点设置防波堤,以降低风险水平是十分必要的。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

分层流体中内孤立波在潜浮式竖直薄板上透射和反射

采用边缘层理论研究了两层流体系统中内孤立波在潜浮式竖直薄板上的透射和反射问题,提出了非线性演化方程的“初值”条件,分析了内孤立波与薄板非线性相互作用的效应。研究表明:流体层的密度比以及薄板伸入上下层的深度对于反射和透射波结构具有显著的影响,薄板伸入下层越深、密度差越小,则薄板阻碍孤立波透射的效率越高;透射波通常演化为单峰孤立波和迅速衰减的尾波,反射波演化为缓慢衰减的尾波列;对于具有小密度差的跃层结构,内孤立波在潜浮式竖直薄板上的透射及其演化近乎是无障碍的。     

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves, ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。     

浮式生产储油船船体疲劳计算

船体结构的疲劳问题一直是船舶设计者十分关注的问题，特别是高强度钢在船体结构中的广泛使用，使船体结构的疲劳破坏问题更加突出。本文以一大型浮式生产储油船（Floating Production and Storage and Offilading)为例，系统地介绍了一种基于S－N曲线和Miner线性疲劳累积损伤原理，计算船体在局部结构应力热点处的疲劳寿命。该方法考察了船舶运营期内的实际工况和海况条件，船体局部应力热点的焊接情况，几何形状，受载形式以及尺寸效应等因素。计算中借助了DNV船级社的SESAM程序系统的部分模块。     

南海北部内孤立波数学模型

在二层内潮数学模型的基础上,考虑非静力平衡扰动压力的影响,导出潮频内孤立波产生、传播的数学模型。该模型不受小地形假设的限制,并适用于南海。应用该模型能解释说明产生以下现象的物理机制：潮流流过巴坦-萨布坦海脊时,在一定海洋环境条件下,通过潮流与起伏的底地形相互作用可激发产生潮频内孤立波,并西传至东沙群岛附近的海域。     

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。     

内孤立波过山脊地形演化实验研究

通过模型实验,研究了下沉型内孤立波通过山脊地形演化特征。实验以三角形障碍物模拟海底山脊地形,采用两种密度的分层水,对上层流体和下层流体的高度比、密度等进行了量化处理。实验研究表明:KdV理论波形可较好模拟本次实验内孤立波波形,但随着内孤立波振幅的增大,误差增加;在内孤立波与障碍物微量作用、中度作用和破波作用三种程度的相互作用中,内孤立波过障碍物具有不同的波形变化和主波能量衰减率。     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程,并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料,模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征,同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征,即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

内孤立波作用下FPSO动力响应特性

以KdV、eKdV和MCC理论的适用性条件为依据,利用内孤立波产生的瞬时速度和瞬时压力沿船体表面求面积分的方法分别计算浮式生产储油卸油装置(FPSO)内孤立波摩擦阻力和Froude-krylov力,再结合时域有限位移运动方程,研究了有限深两层流体中的内孤立波与带分段式系泊缆FPSO的相互作用问题。以东沙群岛某海域实测170 m振幅的内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下FPSO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,内孤立波会对FPSO产生突发的冲击,使FPSO产生大幅度水平漂移运动,导致系泊缆张力显著增大。在该振幅内孤立波作用下,FPSO受到的水平力最大可达56 t,垂向力最大可达1 961 t;纵荡位移可达47.62 m,系泊缆张力增加最大可达106.4 t。因此,在FPSO等深海浮式结构物的设计应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

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。     

内孤立波破碎后对斜坡沉积物的动力作用过程及特性实验研究

为完善内孤立波与海底斜坡沉积物相互作用研究,本文着眼于内孤立波破碎后在斜坡上继续运动的阶段,开展物理模拟实验,分析斜坡响应的土压力和超孔隙水压力的变化状况,揭示内波作用过程。研究发现：斜坡沉积物颗粒在内孤立波破碎引起的涡旋和渗流的共同作用下,会发生再悬浮,斜坡坡度变化不改变沉积物产生动力响应的主导动力作用;内孤立波振幅大小影响涡旋与渗流两者的比例,即在小振幅条件下由涡旋作用主导,在大振幅条件下由渗流作用主导;破碎流体在沿斜坡冲出坡顶位置后形成新的涡流,沉积物在新生涡流作用下的动力响应受斜坡坡度的影响。本文结果对于研究内孤立波再悬浮运移海底沉积物、改造海底地形地貌具有参考价值。     

安达曼海内孤立波的潜标观测分析研究

安达曼海是内孤立波生成最多的海域之一,目前对其研究大多基于卫星遥感,缺乏基于现场观测资料的相关研究。本文通过2016年至2017年布放在安达曼海中部的锚系潜标对该海域内孤立波的方向和强度进行研究,结果表明在研究区域内孤立波主要向东北方向传播,最大振幅可达100 m。应用彻体力理论预测了研究海域内孤立波波源的分布,与遥感统计结果基本一致,并且波源位置更精确,可直观地给出不同波源激发内孤立波的能力。本文分别用浅水方程、深水方程和有限深方程对安达曼海中部内孤立波相速度进行模拟,结合卫星遥感分析发现该海域内孤立波的产生符合Lee波机制,在三种方程中有限深方程的模拟效果与潜标观测最相符。     

Mooring observations of internal solitary waves in the deep basin west of Luzon Strait

A total of 137 internal solitary waves （ISWs） are captured during a field experiment conducted in the deep basin west of the Luzon Strait （LS） from March to August, 2010. Mooring observations reveal that a fully developed ISW owns a maximum westward velocity of more than 1.8 m/s and an amplitude of about 200 m. The ISWs in the South China Sea （SCS） are most active in July, which may be due to the strong stratification in summer. Most of the ISW episodes are detected around and after the 1st or 15th lunar day, indicating that the ISW in the SCS is triggered by astronomic tides. Half part of the observed ISWs were detected around 19：00 local time, which can be explained by the fact that type-a ISWs emerged in the evening at roughly the same time each day. The propagation direction of the ISWs and the astronomic tides in the LS show that the area south of the Batan Island is probably the main source region of the type-a ISWs, while the area south of Itbayat Island and south of the Batan Island is likely the main source region of the type-b ISWs observed at the mooring. Moreover, for the resonance of semidiurnal internal tides emitting from the double ridges in the LS, the underwater ridge south of the Itbayat Island and south of the Batan Island is believed to favor the generation of the energetic ISWs.     

基于光学遥感的安达曼海内孤立波传播速度特性研究

安达曼海内孤立波非常活跃且错综复杂,传播速度是内孤立波的重要特征参量,本文采用光学遥感手段建立了内孤立波传播速度的计算方法。收集并处理大量Terra/Aqua-MODIS遥感图像,利用两景图像追踪同一内孤立波与同一激发源产生的内孤立波波群两种方法定量研究安达曼海内孤立波传播速度。研究结果表明:安达曼海内孤立波传播速度在0.5～2.7 m/s之间,内孤立波传播方向主要受海底地形的影响,传播速度大小在传播过程中随水深变浅而呈减小的趋势,在深水区传播速度大小还呈现出季节性差异。     

内孤立波作用下半潜平台荷载及其周围流场数值模拟研究

内孤立波对海洋平台的安全运行存在一定的威胁,基于三维数值水槽对内孤立波传播引起的半潜平台受力及其周围流场的分布进行了数值模拟研究.通过与试验对比,分析了入射波幅和分层流体深度比对半潜平台上内孤立波荷载特性的影响规律,验证了数值模拟结果是准确可靠的.研究表明,内孤立波引起的平台荷载会随着内孤立波波幅的增加而增大,随着分层流体深度比的增加而减小.基于对平台周围剖面速度场和三维涡场的演化规律研究,发现在内孤立波传播过程中,平台周围会出现明显的速度减小区,平台周围会有大量的漩涡产生并发生脱落现象.     

陆架斜坡对内孤立波的动力响应特性试验研究

针对内孤立波在行进过程中遇到海底斜坡会对海底产生力的作用,不同坡度斜坡对内孤立波的动力响应应该存在差异。本文通过水槽中制造内波,对不同角度的斜坡对内孤立波的动力响应过程进行了研究。结果表明,内孤立波通过陆架斜坡上方,会造成斜坡沉积物超孔隙水压力的积累;在相同振幅条件下,缓坡沉积物动力响应的幅度比陡坡沉积物大;随着振幅的增加,缓坡发生动力破坏程度大于陡坡;在斜坡沉积物稳定性受到破坏之前,超孔隙水压力的积累和释放同时存在,内孤立波振幅的增大会加剧超孔隙水压力的释放。该结果对于斜坡沉积物在内孤立波作用下失稳破坏的动力学研究和斜坡稳定性分析将起到指导作用。