三维深水半潜式平台波浪砰击效应的数值分析

发布时间：2019-09-19 20:05

【摘要】：在陆地资源逐渐被消耗的今天,海洋资源成为人们关注的热点,深海工程相关技术得到飞速的发展。然而,海洋平台的安全性是制约海洋平台发展的关键因素。海洋平台在服役期间受到的波浪砰击荷载对于结构的安全性有着重要的影响。本文以深海半潜式海洋平台为研究对象,对海洋平台在波浪荷载作用下受到的砰击效应进行分析研究。基于流体力学的基本假设条件,结合波浪理论的基本方程,建立三维数值波浪水槽来模拟波浪环境。在水槽的造波边界入口处设置水体的体积分数、垂向和水平方向的水质点速度,从而生成满足参数要求的入射波浪；在出口边界处阻尼段内的动量方程中添加阻尼项消除水质点的振动,得到长时间工作区域内的稳定波浪场条件。在稳定的波浪场基础上,假设平台结构物为刚性,建立平板模型作为海洋平台甲板与波浪场相互作用的简化模型,模拟平台甲板底面受到的波浪砰击荷载,并与实验结果进行比较,结果吻合良好。在不同的二阶斯托克斯波的波浪要素条件下,研究不同姿态平板受到的波浪砰击作用。讨论倾角、相对板宽以及相对波高等参数对砰击荷载的影响规律,并通过统计分析拟合得到规则波作用下,不同姿态(倾角α=-6°—+6°)平板模型受到的砰击压力的经验公式。通过数值求解器得到的半潜式平台模型上的波浪砰击荷载,运用四阶Runge-Kutta法求解刚体的运动方程,基于动网格技术得到半潜式平台模型在波浪砰击作用下的实时运动响应曲线。对比相同的波浪环境下,不同姿态固定的半潜式平台与实时响应的半潜式平台受到的砰击压强,讨论了运动响应对于半潜式平台甲板底面以及立柱的迎浪面上受到砰击压强的影响,为半潜式平台受到的砰击荷载的数值研究提供方法。
【图文】：

示意图,海洋平台,半潜式平台,张力腿平台

加大而迅速增加，不能适应水深超过５００ｍ的深海环境。随着海洋平台的不断发展，海逡逑洋平台的结构出现不同的形式以适应较为恶劣的海洋环境，现在的海洋平台的主要形式逡逑为：半潜式平台、张力腿平台（ＴＬＰ平台）和单柱式平台（Ｓｐａｒ平台）。图１．１给出了逡逑三种海洋平台的示意图。不同的海洋平台适用于不同的工作条件，其中，半潜式平台主逡逑要是用于钻井，张力腿平台和单柱式平台对于油气的开采有着较大的优势。本文的研究逡逑－１邋－逡逑

波面,数值网格

逡逑水槽的网格划分均采用结构化网格如图３．３所示，为了精确模拟自由面的变化，在逡逑水面波动的范围内对网格进行加密细化，将网格高度细化为波高的０．１倍，即Ａｙ＝０．００５ｍ，逡逑在波长方向上网格的尺寸选取为波长的０．０５倍，即Ａｘ＝０．０５ｍ。逡逑调—逦逦逦逦Ｈ逡逑图３．３数值网格划分示意逡逑Ｆｉｇ．３．３邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋ｇｒｉｄｓ逡逑３．邋２．邋２数值水槽的造波和消波方法逡逑１、造波方法逡逑设置边界条件造波法是通过波动的速度方程和波面方程，设定水槽入口边界处的水逡逑流的速度和入口水体的体积分数模拟不同的波浪。该方法的主要优点是在三维数值水槽逡逑的模拟中较为有效，控制面的边界条件使用单一的方程给出，对于波动的频率、振幅和逡逑方向可以很好的控制。设定入口的边界条件计算容易收敛，较大地提高了计算的效率。逡逑水槽的速度入口边界，通过加载ＵＤＦ的定义宏ＤＥＦＩＮＥ＿ＰＲＯＦＩＬＥ邋（ｎａｍｅ，，邋ｔ，邋ｉ），逡逑定义入口的速度和体积分数。波面方程及速度方程见公式（２．１９）邋￣邋（２．２１）。逡逑２、阻尼消波法逡逑为了模拟评击的过程曲线
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P751

【参考文献】