论文部分内容阅读
提高海洋开发能力，建设海洋强国是我国新时期的重大战略部署。随着对海洋的科研、勘探、开发、战略利用由浅海向深海的推进，浮式结构的发展和利用变得越来越重要。波浪和浮式结构物的水动力相互作用是在复杂环境中开发海洋需要解决的关键性问题之一。很多浮式结构物的浮体支撑部分都可以模型化为浮式圆柱群。对于像钻井平台这类海洋结构物，它的支撑结构圆柱群之间有较强的刚性连接，柱群被视为一个整体来进行水动力考察，我们将这类情况归结为“柱群间无相对运动”的情况。而对于超大浮体、波浪发电单元等结构物中，圆柱群之间没有连接或连接较弱，在波浪作用下，各柱会产生相对运动。我们将这类情况归为“柱群间有相对运动”的情况。由于海洋资源开发长期以来主要以油气资源为主，所以像钻井平台这类结构物在工程上的应用较为广泛。因此，国内外对“柱群间无相对运动”的情况的研究较为常见。而对于超大浮体、波浪发电单元等“柱群间有相对运动”这类新兴海洋结构物，由于兴起时间不久且正处于研究和发展阶段，经过文献调研，我们发现目前国内外对这类情况的研究相对较少。 本文在势流理论框架下，求解拉普拉斯方程在海底边界条件、自由表面边界条件、柱间有相对运动时的物面条件、无穷远辐射条件下的定解问题。应用摄动方法和泰勒展开将速度势控制方程和非线性的边界条件逐阶摄动展开，转成各阶问题求解。基于特征函数展开的方法，利用内外流域匹配方法，引入Bessel加法定理并结合直接矩阵法和多次散射法，推导、完善了有相对运动浮式圆柱群的绕射辐射理论。进而讨论了柱间有相对运动浮式圆柱群绕射辐射问题的水动力特征，包括绕射激振力、辐射力、振动幅值以及波面升高等。同时，为了优化计算提高计算效率，通过引入正交试验方法对不同参数组合情况下各个影响因素对收敛性的影响进行了考察。浮式圆柱体存在6个运动模态，并且各个模态之间有相互耦合的作用。由于首摇运动关于轴心对称，不存在水动力响应，因此对柱间有相对运动浮式圆柱群考虑了除首摇外的其它5个运动模态。我们对波浪作用下柱间有相对运动浮式圆柱群绕射辐射水动力特性和相互作用机理进行了研究。首先，考察了给定柱群中某个或某些柱子不同模态不同幅度辐射运动情况下的水动力特征，探寻了不同参数组合情况下各个影响因素对收敛性的影响规律。其次，在入射波浪的作用下，对有相对运动浮式圆柱群阵列和整体运动浮式圆柱群阵列两种情况做了对比分析，计算了位移、水动力、波高以及压力分布等水动力特征量;考察了随不同波浪入射角、不同吃水等参数变化下环绕六柱浮式柱群阵列的水动力特征变化规律。最后，研究了不同间距情况下局部波对有相对运动浮式柱群水动力特征的影响，探究了柱子数目对局部波模态的影响规律，然后对包含局部波模态和不包含局部波模态这两种情况下的水动力响应和柱面压力分布进行了对比和分析。通过研究我们发现:不同模态以及吃水与水深比值这两个因素对计算结果收敛速度的影响较大，而波数和柱间距这两个因素对计算结果的收敛速度影响较小;纵荡和横荡模态下计算结果的收敛速度要明显快于垂荡和摇动模态，吃水与水深比值较大时计算结果的收敛速度要明显快于吃水与水深比值较小时的情况;多柱体多运动模态与单一柱体单一模态情况下相比，水动力特征更复杂，计算结果更多样化，由于柱群阵列分布和柱体运动模态的对称性，使水动力特征量也出现加强或抵消的特性;波浪入射作用下有相对运动浮式柱群与整体运动浮式柱群相比各个模态的响应都较大，波面呈现出的差异更为显著和直观;波浪入射角度的改变对垂荡模态下的响应和水动力都影响很小，但是对其他几个模态（纵荡、横荡、纵摇、横摇）下的响应和水动力影响都十分明显;吃水的改变对垂荡模态和摇动模态下的响应和水动力影响十分显著，对纵荡和横荡模态下的响应和水动力影响很小;局部波模态在摇动模态下对水动力特征量的影响要比平动模态情况下显著;无论是考虑哪一种运动模态，局部波模态对附加质量的影响都十分显著不能被忽略，但是对阻尼几乎没有影响。