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原文传递内孤立波与深海浮式结构物相互作用特性研究

论文题名：	内孤立波与深海浮式结构物相互作用特性研究
关键词：	内孤立波;深海浮式结构物;载荷特性;分层流体;数值模拟;油气开发
摘要：	伴随着中国经济的快速持续发展，能源消费量也呈现出快速增长的态势，加快南海石油天然气开发已经成为国家能源战略的重要组成部分。大量的观测结果表明，南中国海内孤立波活动频繁并且分布广泛，对深海浮式结构物的安全运营构成严重影响，随着南海油气开发的深化，内孤立波已经成为必须考虑的一种灾害性环境因素。目前对内孤立波作用下深海浮式结构物的载荷及运动响应的认识仍较为有限，许多内在的水动力学机理尚不清楚，包括各类载荷的构成及形成机理，粘性的影响以及现有工程简化方法的适用性等。　　有鉴于此，本文在回顾和总结了本领域国内外研究现状的基础上，采用数值模拟并结合实验及理论分析的方法，针对内孤立波作用下三类深海浮式结构物(包括Spar、半潜和张力腿平台)的载荷特性及其形成机理问题开展了相关研究。具体内容如下：　　在第二章中，以有限深两层流体中完全非线性 Navier-Stokes方程为控制方程，结合VOF动态界面跟踪方法和海绵层消波方法，发展了边界激发(包括双推板、速度入口方法)内孤立波数值造波方法。此外，采用质量源作为内孤立波激发源，通过对连续性方程添加源项的方法，提出了一种两层流体中内孤立波质量源数值造波方法。在此基础上，建立了三类深海浮式结构物内孤立波载荷的数值模拟方法。　　在第三章中，以系列数值模拟结果为依据，结合内孤立波非线性和色散参数的组合条件，给出了数值造波过程中内孤立波理论的选择方法。以此为基础，分别针对双推板、速度入口和质量源三种内孤立波数值造波方式进行了系列数值模拟。最后，结合系列数值模拟结果，比较并评估了三种数值造波方式的效果、效率。　　在第四章中，采用数值模拟并结合实验及理论分析的方法，研究了Spar、半潜和张力腿平台等三类深海浮式结构物的内孤立波载荷特性。结果表明，三类深海浮式结构物内孤立波水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合，其内孤立波载荷均由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成，摩擦力很小，可以忽略；对于水平力，Spar平台波浪压差力与粘性压差力量级相当，流体粘性的影响显著，而半潜平台和张力腿平台的水平力主要成分为波浪压差力，流体粘性的影响较小但不可忽略；对于垂向力，三类深海浮式结构物粘性压差力很小，流体粘性影响可以忽略。此外，三类深海浮式结构物对内孤立波波形及其诱导流场的影响很小。最后，结合模型实验，分析了现有工程简化方法的尺度效应。结果表明，在实际尺度条件下采用Morison公式和傅汝德-克雷洛夫力分别计算其深海浮式结构物内孤立波水平力和垂向力仍然是可行的。
作者：	王旭
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：	2015
正文语种：	中文