基于CFD方法的浅水近岛礁环境下浮式平台水动力性能分析及波浪演化特性研究
发布时间：2020-10-29 12:40
随着国家南海资源的开发,岛礁的战略地位日益凸显。为了保障岛礁建设,在远离大陆的南海岛礁附近布置一浮式保障平台就成为了一个绝佳的选择。研究近岛礁波浪环境及浮式结构物的水动力性能可以为浅水浮式平台的设计和研究奠定基础,具有重要意义。本文应用基于开源平台OpenFOAM开发的船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对近岛礁环境下规则波演化特性以及一座带系泊系统的浮式平台在相应波浪作用下的水动力性能进行了数值模拟。本文首先对于浮式平台自由衰减运动的计算准确性以及求解器造波模块的计算准确性进行验证。在平台自由衰减运动的计算方面,网格收敛性验证工作给出本文所研究问题的合理网格量,平台自由衰减固有周期的计算结果与实验结果的对比工作验证了本文所使用的求解器的准确性;在造波模块的验证方面,分别将各工况下波浪的时历与理论波浪时历进行对比,验证了求解器造波模块的准确性。随后本文针对近岛礁浮式平台在规则波中水动力特性以及斜底地形下规则波演化特性进行了研究。在平台水动力研究部分,首先对于平台在不同频率规则波中的响应特性进行研究,将计算的RAO(Response Amplitude Operator)结果与实验结果进行对比,进一步验证了本文的求解器及计算结果的准确性,最后通过对RAO结果的分析,得到平台对中高频波浪响应性能较优的结论;在斜底地形下波浪演化特性分析部分,首先对于不同工况的规则波在近岛礁地形下的演化特性进行分析,随后针对演化过程中波高和波浪频率成分变化两个方面展开研究。研究发现,随着波浪周期的增大,波浪演化过程中,波高会明显增大,波浪的高阶成分会越发明显。此外,本文还针对不同地形对波浪演化的影响展开了讨论,探究平底地形以及斜底地形下波浪的演化差异。从结果分析中可以发现在平底地形的波浪演化中,波浪的波高呈稳定衰减趋势,并未出现明显的波高增大及非线性增强等演化特性,由此验证了在前文平台水动力及斜底波浪演化的研究中得到的一系列强非线性现象和规律确是地形原因导致。最后,本文针对波浪翻卷的机理性问题展开更进一步探究。本文建立了二维波浪水池,对于波浪在斜坡地形上的翻卷问题展开具体讨论。研究发现随着波陡增大,波浪临界状态下的水深指数、波高指数以及垂向不对称性参数均明显减小,而波浪的前缘不对称性、后缘不对称性以及横向不对称性参数对于波陡均不敏感。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.38
【部分图文】：
1.1 研究背景与意义南海是我国最大的外海，调查表明，南海海域有 200 多个油气构造，其中的将近 90%有希望开发并利用。该区域石油天然气总储量约占全球储量的 12%，因此被国内外学者誉为“第二个波斯湾”。南海还有丰富的金属矿产等资源，潮汐能、波浪能、温差能、压差能等可再生能源。此外，南海航线是我国运输战略资源、维持对外贸易的咽喉，也是一带一路中“海上丝绸之路”的必经之路，因此南海的战略价值日益彰显。南海属于热带海洋，其水温以及气候十分适于珊瑚的繁殖，因此会在海底的地形变化处形成珊瑚礁或珊瑚岛屿，如图 1-1（a）所示，也正因为这个原因，南海上的东沙、西沙及南沙群岛中的多数海岛均为珊瑚岛屿。而在对南海的开发中，岛礁的存在势必起着极为重要的战略作用。岛礁可以为各种资源的开发提供依托和保障，为我国“海上丝绸之路”航线的通畅保驾护航，保障国家的战略物资需求。同时南海岛礁也是中国领土主权中不可分割的一部分，是中国领土的最前沿，是中国的南大门，可以为国家的战略部署提供前沿的基地。因此，南海岛礁的战略地位日益凸显，围绕岛礁的争夺和建设也愈演愈烈。
存在也使得近岛礁附近海况复杂激烈，岛礁周围较大的浅水范围也使得岛礁补给更为困难[2]。为了更好地保障资源开发及岛礁建设，如图 1-1（在岛礁附近建立一个平台作为综合保障基地就是一个极佳的选择。图 1-2 岛礁附近的海底地形剖面图[3]Fig.1-2 Section of seabed near island and reefs般情况下，平台按照适应水深的不同，会有不同的平台形式。平台按照不同，可分为固定式平台以及移动式平台。固定式平台可分为重力式平台平台等；移动式平台可以分为底撑式平台以及浮动式平台，底撑式平台升式平台以及坐底式平台，浮动式平台可分为半潜式平台、TLP 平台、S形式。如图 1-3，根据水深的变化，在浅水区域，一般采用固定式平台或台；随着水深变深，平台形式逐渐向浮式转变。在超深水区域，由于海劣，顺应式浮式平台开始展现出其良好的抗风浪能力，TLP 平台、Spar半潜式平台开始随着人们对于海洋的探索而不断向深海领域挺进。
图 1-4 大型模块化浮式平台（可移动陆地）概念图Fig.1-4 Conceptual figure of modularized platform in South Sea因此，在建设岛礁、开发岛礁的过程中，在近岛礁位置设立一个浮式台就成了一个极佳的选择。然而对于岛礁附近的浮式平台，其所处的波浪深水的线形波浪环境有较大区别。一方面岛礁附近海底复杂的地形条件会浪在此处发生反射、绕射以及折射等一系列变化[5]，使得波浪环境较为复一方面波浪在从深水向浅水传播的过程中，水质点的轨圆运动受到底部边的阻塞作用从而使波浪产生变形，波浪波峰偏向前缘，波陡增大并产生翻碎，因此会带来更多的强非线性波浪问题，强非线性波浪会对平台造成非强的抨击、爬高等载荷作用。因此在近岛礁浮式平台的设计建造与安全性对岛礁波浪环境及浮式结构物水动力特性的研究显得尤为重要。精确模拟海浪在浅水礁坪上的一系列变化以及分析近岛礁波浪对浮式的水动力载荷是相当困难的。目前国际上的专家学者在波浪数值模拟领域和应用方面已经取得了相当多的成果，目前通过建立波浪的数值模型，可出波浪在海洋环境下的传播、反射、折射、绕射等情形[6]，但针对波浪在
【参考文献】
本文编号：2860914
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.38
【部分图文】：
1.1 研究背景与意义南海是我国最大的外海，调查表明，南海海域有 200 多个油气构造，其中的将近 90%有希望开发并利用。该区域石油天然气总储量约占全球储量的 12%，因此被国内外学者誉为“第二个波斯湾”。南海还有丰富的金属矿产等资源，潮汐能、波浪能、温差能、压差能等可再生能源。此外，南海航线是我国运输战略资源、维持对外贸易的咽喉，也是一带一路中“海上丝绸之路”的必经之路，因此南海的战略价值日益彰显。南海属于热带海洋，其水温以及气候十分适于珊瑚的繁殖，因此会在海底的地形变化处形成珊瑚礁或珊瑚岛屿，如图 1-1（a）所示，也正因为这个原因，南海上的东沙、西沙及南沙群岛中的多数海岛均为珊瑚岛屿。而在对南海的开发中，岛礁的存在势必起着极为重要的战略作用。岛礁可以为各种资源的开发提供依托和保障，为我国“海上丝绸之路”航线的通畅保驾护航，保障国家的战略物资需求。同时南海岛礁也是中国领土主权中不可分割的一部分，是中国领土的最前沿，是中国的南大门，可以为国家的战略部署提供前沿的基地。因此，南海岛礁的战略地位日益凸显，围绕岛礁的争夺和建设也愈演愈烈。
存在也使得近岛礁附近海况复杂激烈，岛礁周围较大的浅水范围也使得岛礁补给更为困难[2]。为了更好地保障资源开发及岛礁建设，如图 1-1（在岛礁附近建立一个平台作为综合保障基地就是一个极佳的选择。图 1-2 岛礁附近的海底地形剖面图[3]Fig.1-2 Section of seabed near island and reefs般情况下，平台按照适应水深的不同，会有不同的平台形式。平台按照不同，可分为固定式平台以及移动式平台。固定式平台可分为重力式平台平台等；移动式平台可以分为底撑式平台以及浮动式平台，底撑式平台升式平台以及坐底式平台，浮动式平台可分为半潜式平台、TLP 平台、S形式。如图 1-3，根据水深的变化，在浅水区域，一般采用固定式平台或台；随着水深变深，平台形式逐渐向浮式转变。在超深水区域，由于海劣，顺应式浮式平台开始展现出其良好的抗风浪能力，TLP 平台、Spar半潜式平台开始随着人们对于海洋的探索而不断向深海领域挺进。
图 1-4 大型模块化浮式平台（可移动陆地）概念图Fig.1-4 Conceptual figure of modularized platform in South Sea因此，在建设岛礁、开发岛礁的过程中，在近岛礁位置设立一个浮式台就成了一个极佳的选择。然而对于岛礁附近的浮式平台，其所处的波浪深水的线形波浪环境有较大区别。一方面岛礁附近海底复杂的地形条件会浪在此处发生反射、绕射以及折射等一系列变化[5]，使得波浪环境较为复一方面波浪在从深水向浅水传播的过程中，水质点的轨圆运动受到底部边的阻塞作用从而使波浪产生变形，波浪波峰偏向前缘，波陡增大并产生翻碎，因此会带来更多的强非线性波浪问题，强非线性波浪会对平台造成非强的抨击、爬高等载荷作用。因此在近岛礁浮式平台的设计建造与安全性对岛礁波浪环境及浮式结构物水动力特性的研究显得尤为重要。精确模拟海浪在浅水礁坪上的一系列变化以及分析近岛礁波浪对浮式的水动力载荷是相当困难的。目前国际上的专家学者在波浪数值模拟领域和应用方面已经取得了相当多的成果，目前通过建立波浪的数值模型，可出波浪在海洋环境下的传播、反射、折射、绕射等情形[6]，但针对波浪在
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 丁军;程小明;田超;张凯;吴波;;近岛礁浅水环境下浮式平台系泊系统设计研究[J];船舶力学;2015年07期
2 肖越,王言英;三维锚泊系统时域计算分析[J];船舶力学;2005年05期
3 黄祥鹿,陈小红,范菊;锚泊浮式结构波浪上运动的频域算法[J];上海交通大学学报;2001年10期
4 范菊,黄祥鹿;锚泊线的动力分析[J];中国造船;1999年01期
5 刘应中,缪国平,李谊乐,刘滋源,刘和东,黄庆玉,马庆久;系泊系统动力分析的时域方法[J];上海交通大学学报;1997年11期
6 林建国,陶尧森;浮体浅水非线性波动问题的 Boussinesq 方程求解方法[J];上海交通大学学报;1997年02期
本文编号：2860914
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