大型海洋浮式結構在兩層流中的漫漂運動研究

《大型海洋浮式結構在兩層流中的漫漂運動研究》是依託大連理工大學,由勾瑩擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大型海洋浮式結構在兩層流中的漫漂運動研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：勾瑩

項目摘要

深海系泊浮式結構在波浪作用下會發生與水平自振周期相耦合的大幅低頻慢漂運動，這一複雜物理現象的準確預報對海洋工程結構安全服役具有重要意義。由於溫度和鹽度分布不均海洋中密度沿水深會出現分層現象，在海洋內部產生內波。內波的頻率很低，結構發生大幅低頻慢漂運動時將激發出內波，對結構上的非線性低頻波浪力和運動阻尼產生顯著影響。但目前計算系泊浮式結構的低頻慢漂運動時都沒有考慮這一影響，因此慢漂運動的預報是不準確的。本研究將建立兩層流中波浪與浮式結構作用的二階時域分析方法。在上下層流域內分別建立一階和二階邊值問題，利用Rankine源建立邊界積分方程採用高階邊界元法求解。通過引入兩層流中的慢漂阻尼，建立兩層流系泊浮式結構低頻慢漂運動回響的時域求解模型。通過開展物理模型試驗和數值研究，分析各影響參數對結構非線性低頻波浪力和漂移阻尼的影響機理，明確大幅慢漂運動振動頻率和幅值的變化規律

結題摘要

深海系泊浮式結構在波浪作用下會發生與水平自振周期相耦合的大幅低頻慢漂運動，並在海洋內部激發內波，同時改變慢漂運動特性。本研究建立了兩層流中波浪與浮式結構作用的大幅慢漂運動分析方法和兩層流中浮式結構內波興波數值模型，開展了大型分層流水槽中三維箱型結構的拖航阻力物理模型試驗，重點分析了浮式結構運動激發內波以及內波興波阻力特性。 首先開展了二維箱型浮式結構在兩層流中內波模態和表面波模態輻射能量的轉換機制。結果表明只有在極低頻條件下輻射能量才轉化為內波模態，在波頻條件下都轉化為表面波模態。大幅慢漂運動屬於二階非線性問題，慢漂運動頻率遠低于波頻運動，因此將兩種運動分解，結合之前的研究結論，在二階低頻慢漂運動方程中計入內界面興波阻力。為了合理給出結構受到的二階低頻波浪力，採用單層流的研究方法引入兩層流慢漂阻尼項並利用拖航阻力研究計算。 通過物理模型試驗和數值模擬的手段主要研究了箱型結構兩層流中拖航過程激發內波的物理現象和興波阻力特性。箱型結構在兩層流中的拖航總阻力隨拖航速度的增加近似線性增加並逐漸接近單層流拖航阻力，不同於細長體出現較大的局部峰值，說明箱型結構不會出現明顯的‘dead-water’現象。當內弗洛德數較小或者較大時無因次內界面興波阻力係數都趨於零，峰值出現在內弗洛德數0.7附近，顯著小於已有細長體研究結論。說明結構形狀是影響內界面興波阻力曲線性質的關鍵因素，本項目針對的海洋平台箱型結構，興起的內波趨於平緩，導致了興波阻力特性的不同。利用以上阻力結果分析兩層流中大幅慢漂運動，由於慢漂速度變化較大，僅在慢漂速度落入內界面興波阻力較大的區域時才對慢漂運動幅值有一定的影響，並且由於相位的原因在各別情況還可能使慢漂運動略有增大。雖然目前的研究結果表明內界面興波對系泊浮式結構的慢漂運動影響不夠顯著，但其科學意義在於明確了結構內界面興波的特性和阻力機制，並且會對海洋平台結構的拖航航行以及海面浮冰漂移這類大型結構的持續緩慢運動產生直接的顯著影響。