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原文传递深水钻井船月池内流体运动机理数值研究

论文题名：	深水钻井船月池内流体运动机理数值研究
关键词：	深水钻井船;月池内流体;运动机理;压力特性
摘要：	钻井船中为了方便铺设缆线、安装立管、收放设备，会在船中区域设置一贯穿船体甲板，底部与海水相连，腔内存在自由液面的月池结构。合理的月池结构形式及布置方式，可以屏蔽一定的外部海流及波浪作用，保证钻井船的航行及作业安全。月池内流体运动方式有两种:一种为“活塞( piston)”运动，流体沿月池深度方向上下振动，一种为“晃荡( sloshing)”运动，流体的自由液面左右晃动。导致月池内流体运动的激励方式有两种，静水面有航速情况和波浪中无航速情况，这两种情况在实际作业中往往是同时存在的。本文在国内外学者研究的基础上，基于 CFD计算理论，采用数值模拟的方法，对在上述方式激励下，钻井船月池内流体的运动情况进行了研究，主要分析了月池内流体的运动机理及压力特性，论文的主要内容如下：　　首先，将静水面有航速情况等效为外部均匀流激励，并将钻井船月池结构简化为腔体式计算模型，在Ansys/Icem&Fluent中建立二维月池，及三维方柱、圆柱型月池模型，对月池受到0.2m/s≤v≤1.6m/s范围内的流速激励时，月池内流体的运动情况进行了模拟。主要分析了月池内流体的运动的成因及剪切层脱落情况，同时对不同形状的月池内流体运动频率、幅值及池壁压力情况进行对比，研究发现：均匀流激励下，月池内流体的振荡运动来源于剪切层的激励；当自持振荡频率接近流体的振荡固有频率时，发生明显的活塞振荡显现；方柱型月池的活塞运动及晃荡运动的幅值大于圆柱型月池，并且内部的自由液面波动更为剧烈。　　其次，本文将波浪中无航速情况等效为外部规则波浪激励，将钻井船以1:125的缩尺比在Ansys/Icem&Fluent中建立缩尺模型，同时建立了三维数值波浪水池，并且基于 NS方程及 VOF法，运用物理式推板，生成线性规则波浪，对不同周期、波高的外部规则波浪激励下，月池内流体的运动进行模拟。主要分析了月池内流体的活塞、晃荡运动规律及压力特性。同时结合动网格技术，预先给定钻井船纵摇及垂荡运动形式，实现钻井船与波浪的耦合运动，将数值实验结果与船体静止时的情况进行对比，研究发现：月池对外部波浪有一定的屏蔽作用，月池内流体的波面升高滞后于外部激励波浪；月池内流体的运动以活塞运动为主，晃荡运动不明显，同时月池的形状对池内流体的活塞运动影响较小，而对晃荡运动的影响较大；外部激励波浪的波高波高越大，月池内流体垂荡及晃荡的幅值越大；耦合运动会增大月池内流体的运动幅度，而月池内流体的运动频率只与外部激励波浪及月池自身运动固有频率有关。　　再次，本文将静水面有航速和波浪中无航速同时出现的情况简化为外部波流联合激励，对月池内流体的运动进行研究。通过建立三维数值水池，基于 FLUENT平台自编程序，模拟规则波浪与均匀流遭遇时，方柱型及圆柱型月池内部的流体运动，主要分析了池内流体运动的频率、振幅及池壁压力特性，研究发现：月池内流体的振荡情况与Kc数相关，定常压力与脉动压力在方柱型及圆柱型月池内的变化趋势是相近的。　　最后，总结本文主要工作与研究内容，并对此月池内流体机理的更深入研究做进一步展望，并提出相关建议。
作者：	朱新耀
专业：	船舶与海洋工程
导师：	谷家扬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文