摘 要

半潜式海洋平台的气隙性能是设计初期重要的平台参数，它与平台运营的安全性和建造的经济性紧密相关。因此需要精确、快速地预报平台气隙响应。

本文将平台气隙响应分为两部分：波浪绕射与爬升，平台运动响应。之后，考虑波浪爬升中平台运动，分析平台气隙现象。

文中，从海洋平台经典结构——圆形立柱入手，分析波浪绕射现象和近柱面区域的波浪爬升现象。并对比势流理论和粘性流理论之间的计算结果差异。

针对平台模型，文中采用势流频域模型，计算平台运动响应幅值并分析平台运动中的共振现象。其次采用势流时域模型，模拟平台的气隙值时历曲线，统计气隙极值，分析气隙极值在各监测点的分布规律。

最后，文章总结了势流理论和粘性流理论，讨论了两种计算模型的差异，并重点分析了势流理论在预报平台气隙性能的意义和不足之处。

关键词：圆形立柱，半潜式海洋平台，势流理论，AQWA,气隙

Abstract

The airgap value of Semi-submersible is a significant parameter in the early stage of platform design. It has a close association with the security of performance and with the economy of construction.So it’s important to make a quick and accurate forecast of airgap．

It is divided into parts here for solving the airgap problem clearly: Wave diffraction and run-up, Motion response of platform.And recombine these two part at last to analyse the airgap response．

It’s started with 3D circular column,emphasis on the diffraction and wave run-up of adjacent area. And two numerical method—frequency domain method and CFD method are used for comparision．

Next,platform’s motion response is analysed in potential flow theory.Compared to model test, a good simulation is acquired ,especially for the resonance．Airgap’s time history is plotted by time domain method.Based on it，with the statistics of peak value airgap’s frequency distribution function is achieved to estimate the extreme value and dangerous area．

At last, a summary is done to evaluate the calculation by potential and CFD method. Meanwhile the discussion of significance and disadvantage of potential theory is followed．

Key words:Circular column，Semi-submersible，Potential flow theory，AQWA，Airgap

目录

一、绪论 1

1.1 气隙问题概述 1

1.2 浮式平台气隙响应的理论研究 1

1.2.1 浮体运动与波浪载荷的三维势流理论 2

1.2.1.1 Havelock源方法 2

1.2.1.2 Rankine源方法 3

1.2.1.3 完全非线性方法 4

1.2.2 自由液面捕捉的粘性理论 5

1.3 研究方法小结 6

1.4 本文主要研究工作 7

二、圆形立柱的波浪绕射和爬升问题 8

2.1 解析方法求解圆形立柱波浪绕射问题 8

2.2 线性频域数值方法求解圆形立柱波浪绕射问题 12

2.2.1 计算模型参数 12

2.2.2 数值模型与物理模型试验对比 13

2.2.3 网格方案对比 14

2.2.4 数值解与解析解对比 15

2.3 粘性流理论求解圆形立柱波浪绕射问题 16

2.3.1 波浪水池模型 16

2.3.2 水池模型的参数设置与求解 18

2.3.3 立柱模型求解 19

三、半潜式海洋平台的波浪绕射现象 22

3.1 平台简介 22

3.2 平台在固定情况下的波浪的波浪放大现象 24

3.2.1平台内外侧波浪放大因数对比 24

3.2.2 平台前、后立柱波浪放大因数对比 26

3.3 平台在固定和系泊情况下，波浪的放大现象对比 28

四、平台运动响应分析 31

4.1 线性势流理论 31

4.2 平台运动响应的频域数值求解 34

4.3 平台运动响应的对比和分析 37

五、平台在非规则波下的气隙响应 41

5.1 JONSWAP谱 41

5.2 非规则波海况下的气隙时历过程模拟 41

参考文献 45

致谢 48

一、绪论

1.1 气隙问题概述

在深海油气田的开发中，大型浮式平台的气隙安全问题受到广泛关注。在恶劣海况下，周期性的波浪砰击会导致甲板局部结构的疲劳损伤，并影响甲板机械的正常作业。其中，甲板上浪现象会降低平台的稳性，严重情况下可导致平台倾覆。

气隙值是指平台甲板下缘距波面的垂向距离，见图1。平台在波浪载荷作用下，产生六自由度运动，其中垂向运动改变了气隙值大小。同时，平台的阻碍作用和运动会影响原流场的分布，产生绕射波和辐射波。入射波和绕射波、辐射波的叠加致使波面升高，反过来影响气隙值的大小和对平台的载荷。这种波浪与平台的耦合作用对气隙的影响关系，称为平台的气隙响应问题。平台的气隙响应直接反映了在当地海况下，平台气隙值的分布规律、潜在的砰击风险和砰击载荷数值。这些可用于指导平台的净高设置和甲板机械的布置，对平台建造和运营过程中的经济性和可靠性有着重要意义。

图1 浮式平台气隙示意图：h_N 气隙值；MSW 平均静水面

1.2 浮式平台气隙响应的理论研究

在浮式平台的气隙问题中，平台的运动响应和波面升高与气隙值密切相关。基于势流理论的求解方法可以大大简化计算过程，作为快速计算工具，技术较为成熟；而基于粘性理论的数值模型，因其对波面的细节描述，眼下受到广泛关注。

1.2.1 浮体运动与波浪载荷的三维势流理论

采用分布源—偶的方式求解三维流场问题这一方法，由Hess和Smith(1964)首次提出。此后，三维势流理论得到快速发展，尤其是在计算机技术的辅助下，非线性的三维时域求解方法相继问世。目前三维水动力理论研究方法，按源—偶分布方式，可分为Havelock源方法和Rankine源方法。

1.2.1.1 Havelock源方法

Havelock源方法，又称自由面Green函数法，通过在平台湿表面分布源汇来确定流场速度势。方法中的Green函数，除物面条件以外，满足其他所有定解条件。该方法在对三维零航速浮体的运动及载荷研究较多，Faltinsen和Machelsen(1974)采用三维Green函数对线性边界元法进行了研究。Chang 和 Pien(1976)，Newman(1999)等也对低阶边界元法做了类似的奇点分布研究。在国内，也有一些学者做了相关研究。孙伯起等(1985)用边界元法，对波浪中零航速浮体的运动和波浪载荷做了计算。刘应中和缪国平(1987)用线性边界元法对多个浮体的波浪耦合运动做了详细的研究。除线性面元法外，Maniar(1986)提出了一种三维高阶面源法，该方法采用B样条函数光顺浮体几何形状和流场速度势，提高了计算精度。随后，麻省理工学院基于该理论，开发了波浪水动力软件WAMIT，用于评估三维无航速浮体的运动响应。目前，基于三维频域无航速的Havelock源方法，数值计算技术成熟，并在对大型海洋结构运动响应的预报实践中，取得良好结果。

为捕捉浮体运动中的瞬态特征，基于自由面Green函数法的三维时域方法也得到了应用。在时域三维线性理论范畴下，为克服时域Green函数的数值不稳定性，Newman(1985)采用分区方法计算时域Green函数。黄德波(1992)发展了快速计算时域Green函数的方法。Beck和Liapis(1987)等采用时域Green函数，分别研究了源偶混合分布和分布源法求解线性辐射问题，并得出同样情况下，源偶混合分布要比源分布法有更好的精度。周正全等(1993)应用线性时域法求解有航速浮体的波浪绕射问题。