论文部分内容阅读
随着海洋油气资源开发逐渐向深海发展,深海结构物非线性水动力问题成为海洋工程领域的热点问题,对深海平台非线性运动响应问题和多柱式平台准陷波问题的研究成为了海洋工程领域的重要课题。基于以上背景,本文采用间接时域方法对浮体结构物非线性运动响应问题开展了研究,建立了模拟浮体运动响应的完整二阶时域方法；同时,采用模型实验以及数值模拟的方法对多柱式平台的准陷波问题开展了研究,揭示了非线性波浪下多柱式平台的非线性准陷波现象。深海环境条件恶劣,在波浪以及系泊系统等的非线性因素的影响下,结构不再服从简谐运动规律,因此需要采用时域方法对深海结构物的运动响应进行模拟。当采用间接时域方法时,在每个时间步只需求解物体的运动方程,波浪激励力则根据Volterra级数模型求得。因此,间接时域方法较其他全时域方法更加高效并更适合应用于实际工程中。在以往的研究中,基于二阶理论建立的间接时域方法是根据平方传递函数(QTF)对时域内的二阶波浪激励力进行计算的。平方传递函数定义为单位幅值双色波浪下作用于浮体结构上的二阶波浪激励力。对于运动物体而言,平方传递函数是物体一阶运动响应以及入射波浪的函数。由于对平方传递函数的计算是在时域分析的准备阶段中进行的,在其计算过程中物体的运动响应是未知待求的,因此无法直接将平方传递函数应用到时域分析中。基于以上原因,本文依据物体一阶简谐运动幅值以及入射波浪幅值,对浮体结构的平方传递函数进行摄动展开,并由此提出平方传递函数的分解方法。通过对平方传递函数的分解,可以得到三类平方传递函数分量：第一类分量是由双色入射波浪与固定物体相互作用产生的；第二类分量是由物体简谐运动和入射波浪共同作用产生的；第三类分量是由物体不同频率的简谐运动共同作用产生的。对各类平方传递函数分量对应的边值问题开展了研究,应用泰勒级数展开以及摄动展开方法对边界条件进行了推导,采用边界积分方程方法对速度势进行求解。对积分方程中复杂的无穷自由水面积分采用数值离散、级数展开以及渐近展开相结合的方法进行有效准确的计算。在计算得到平方传递函数分量后,应用Volterra级数模型实现了在时域内对运动物体上的二阶波浪激励力的准确计算,进而建立起模拟浮体结构运动响应的完整二阶时域方法。目前的方法较以往的根据平方传递函数建立的间接时域方法在理论上更加严格并且在计算上更加准确。对于线性系泊以及非线性系泊问题,通过将本文运动响应结果与频域结果以及实验结果进行对比,验证了本文方法的准确性和有效性。在验证了本文方法的准确性和有效性后,结合悬链线理论对于实际深海平台的非线性运动响应问题开展了数值模拟研究。对于张力腿平台等多柱式海洋平台,其上部结构由多个立柱结构支撑。由于这些支撑柱体彼此相距较近,相互之间干涉作用较强,在特定的波浪条件下结构内部将发生准陷波现象。伴随着准陷波现象的发生,大量的入射波浪滞留在结构周围,并且仅有少量的散射波浪向远场传播。同时,平台附近局部位置处将出现显著增大的波高,这将对平台的气隙性能带来不利的影响。尽管理论研究和数值模拟研究都表明波浪与多柱式结构相互作用可以引起准陷波现象的发生,然而目前对准陷波现象开展的实验研究工作较少。本文在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室沿岸水池对四柱结构的波浪绕射问题开展模型实验研究。实验中对柱体附近多个位置处的波面高度进行测量,并将实验结果与数值模拟结果进行对比。通过对比表明即使在波陡较大的情况下二阶绕射理论可以对大尺度结构物周围的波面进行有效模拟。实验中对四柱结构的准陷波现象也开展了研究,实验中会在特定的波浪条件下在局部区域观测到显著增大的波面结果以及近似驻波的波面分布模式。除开展实验研究外,本文应用在势流理论下建立的数学模型对张力腿平台周围非线性波面分布开展数值模拟研究。研究表明,当二阶倍频入射波浪的频率与结构的准陷波频率接近时,这些非线性波浪可以引起二阶准陷波现象的发生。同时,以往在对张力腿平台周围波面分布的研究中,主要关注支撑柱体结构对波面分布的影响,而对下部浮筒结构对波面分布影响开展的研究很少。本文通过对有无浮筒情况下波高结果进行对比,对浮筒结构对波高结果的影响开展了研究,并且着重分析了浮筒结构对一阶和二阶准陷波现象的影响规律。研究表明浮筒结构的存在不会改变准陷波现象发生的频率,然而会对二阶准陷波现象发生时的波面产生显著影响,将进一步抬升局部位置处已显著增大的波面。