深海浮式结构物内孤立波载荷及其动力响应特性研究

发布时间：2017-08-31 21:25

  本文关键词：深海浮式结构物内孤立波载荷及其动力响应特性研究

  更多相关文章： 分层流体 内孤立波 深海浮式结构物 载荷与动力响应

【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μ μ0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μ≥μ0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。
【关键词】：分层流体 内孤立波 深海浮式结构物 载荷与动力响应
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.38;U661.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 研究背景、目的和意义12-14
• 1.2 海洋内波概述14-25
• 1.2.1 海洋内波特性14-16
• 1.2.2 内孤立波的生成机制16-18
• 1.2.3 南海内孤立波的特征及其分布18-20
• 1.2.4 内孤立波理论研究现状20-22
• 1.2.5 内孤立波实验研究现状22-25
• 1.3 深海平台简介25-28
• 1.3.1 Spar平台25-26
• 1.3.2 半潜平台26-27
• 1.3.3 张力腿平台27-28
• 1.4 深海浮式结构物内波水动力特性研究现状28-34
• 1.4.1 周期内波与结构物作用28-31
• 1.4.2 内孤立波与结构物作用31-34
• 1.5 本文工作及主要创新点34-36
• 1.5.1 本文主要工作34-35
• 1.5.2 本文创新点35-36
• 第二章 内孤立波造波实验及其理论模型36-66
• 2.1 两层流体内孤立波理论模型36-42
• 2.1.1 KdV理论38-39
• 2.1.2 eKdV理论39-40
• 2.1.3 mKdV理论40-41
• 2.1.4 MCC理论41-42
• 2.2 内孤立波造波实验方法42-51
• 2.2.1 实验方法42-46
• 2.2.2 内孤立波设计振幅确定方法46-51
• 2.3 内孤立波理论模型适用性条件51-60
• 2.4 相速度及特征频率60-64
• 2.4.1 相速度60-62
• 2.4.2 特征频率62-64
• 2.5 小结64-66
• 第三章 深海浮式结构物内孤立波载荷实验及其理论模型66-106
• 3.1 内孤立波载荷理论模型66-69
• 3.2 内孤立波载荷实验方法69-72
• 3.3 实验结果与分析72-104
• 3.3.1 Spar平台内孤立波载荷特性74-85
• 3.3.2 半潜平台内孤立波载荷特性85-94
• 3.3.3 张力腿平台内孤立波载荷特性94-104
• 3.4 小结104-106
• 第四章 内孤立波作用下深海浮式平台动力响应特性106-143
• 4.1 深海浮式平台动力响应理论模型106-112
• 4.1.1 内孤立波动态载荷及其力矩107-109
• 4.1.2 浮力及其力矩109
• 4.1.3 系泊传递力及其力矩109-112
• 4.2 数值结果与分析112-141
• 4.2.1 Spar平台动力响应特性113-124
• 4.2.2 半潜平台动力响应特性124-133
• 4.2.3 张力腿平台动力响应特性133-141
• 4.3 小结141-143
• 第五章 总结与展望143-145
• 5.1 总结143-144
• 5.2 展望144-145
• 参考文献145-158
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文158-159
• 致谢159

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 尤云祥;徐杰;魏岗;常煜;张军;赵峰;;线性连续分层流体中水波与截断圆柱浮体的相互作用[J];船舶力学;2007年05期

2 蔡树群,甘子钧;南海北部孤立子内波的研究进展[J];地球科学进展;2001年02期

3 蔡树群;何建玲;谢皆烁;;近10年来南海孤立内波的研究进展[J];地球科学进展;2011年07期

4 陈伟民;郑仲钦;张立武;李敏;;内波致剪切流作用下深海立管的涡激振动[J];工程力学;2011年12期

5 蔡泽伟,徐亦凡,宋晓刚,易伟;分层流体中细长体波浪力的数值计算[J];海洋工程;2003年03期

6 魏岗;尤云祥;缪国平;苏晓冰;;分层流体中内孤立波在潜浮式竖直薄板上透射和反射[J];海洋工程;2007年01期

7 张帆;杨建民;李润培;;新型多柱桁架式Spar平台水动力性能研究[J];海洋工程;2007年02期

8 尤云祥;杜明明;魏岗;;两层流体中振荡水平圆柱潜体水动力特性[J];海洋工程;2007年03期

9 何景异;尤云祥;石强;魏岗;;两层流体中内波作用下Spar平台运动响应[J];海洋工程;2008年01期

10 付东明;尤云祥;李巍;;两层流体中内孤立波与潜体相互作用数值模拟[J];海洋工程;2009年03期

本文编号：768021