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原文传递深海浮式结构物内孤立波载荷及其动力响应特性研究

论文题名：	深海浮式结构物内孤立波载荷及其动力响应特性研究
关键词：	分层流体;内孤立波;深海浮式结构物;动力响应
摘要：	我国南海深海海域油气资源储量丰富,加大其勘探开发力度能有效地缓解我国正面临的能源危机。深海浮式平台(包括 Spar平台、半潜式平台和张力腿平台等)作为一类基础性的海洋工程设施,在南海深海油气开发工程中扮演着极其重要的角色。大量海上遥感观测结果已经表明,南海内孤立波活动频繁而且分布范围广泛,对海洋结构物的安全性会产生严重影响,在南海海域的能源开采工程中,其危害性仅次于台风。因此,内孤立波将是南海海洋工程中需要考虑的环境因素之一。然而,有关这种特殊海洋环境对深海浮式平台可能会造成的危害机理等问题迄今尚不清楚。　　有鉴于此,本文在回顾和总结了目前国内外研究现状的基础上,采用实验、理论和数值相结合的方法,对Spar、半潜和张力腿平台这三类深海浮式结构物在内孤立波环境中的载荷及其动力响应特性问题开展了相关研究工作。具体内容如下: 　　在第二章中,利用大尺度密度分层水槽,采用将两块与水槽等宽的推板反向平推的方法,发展了一种新的实验室造波技术,实现了内孤立波的振幅可控。在此基础上,开展系列实验,研究了KdV、eKdV、mKdV和MCC这四类两层流体内孤立波理论模型的适用性问题。结果表明,对以水深为基准定义的非线性参数ε和色散参数μ,存在一个临界色散参数μ0,当0μ<μ时,KdV理论适用于ε≤μ的情况,eKdV理论适用于μ<ε≤μ的情况,而 MCC理论适用于ε>μ的情况,而且当0μ≥μ时 MCC理论也是适用的。结果进一步表明,当上下层流体深度比并不接近其临界值时,mKdV理论主要适用于内孤立波振幅接近其理论极限振幅的情况,但这时MCC理论同样适用。　　在第三章中,基于两层流体中内孤立波KdV、eKdV和MCC理论的适用性条件,建立了Spar、半潜和张力腿三类深海浮式平台内孤立波载荷理论模型。研究表明,这三类深海浮式平台的内孤立波水平力包括水平Froude-Krylov力、惯性力和拖曳力三个部分,而内孤立波垂向力主要为垂向 Froude-Krylov力。对惯性力和拖曳力可以由Morison公式进行计算,而对Froude-Krylov力则可以用内孤立波诱导的动压力进行计算。在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下这三类深海浮式平台的载荷特性开展了系列实验,结合相关实验结果,针对Morison公式中两个经验系数在内孤立波环境下的取值建立了相关计算方法,研究并分析了三类深海浮式平台的内孤立波载荷特性及其变化规律。　　在第四章中,将所建立的内孤立波载荷理论模型与Spar、半潜和张力腿三类深海浮式平台浮体的非线性运动方程及其系泊动力学模型进行耦合,建立了内孤立波与Spar、半潜和张力腿三类深海浮式平台强非线性作用的理论模型。以东沙群岛某海域实测内孤立波特征参数为依据,对内孤立波作用下三类平台的动态载荷、运动响应及其系泊动力特性进行了系列数值模拟与分析,获得了这些水动力量的时历变化特性及其幅值随内孤立波振幅和密度分层参数的变化规律。研究表明,内孤立波不仅会三类深海浮式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,而且还会使其系泊张力显著增大。因此,在三类深海浮式平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。
作者：	黄文昊
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	尤云祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文