旁靠浮式结构与系泊系统在波浪中的耦合作用分析

摘要

随着海洋资源开发向深海方向发展，各类新型浮式生产系统相继得到开发和应用，海洋工程将面临更多有关多浮体旁靠结构物间协同作业的问题。在某些海况下，多浮体浮式结构物之间的互相作用将会严重影响海上作业的安全性和稳定性。本文应用粘流理论以及计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）技术、自由液面捕捉技术VOF（Volume ofFluid）法，借助CFD软件STAR-CCM+对两旁靠浮式结构物与系泊系统之间的耦合作用开展了研究。论文的主要工作和成果如下： （1）针对选题背景，分析了多浮体旁靠结构在作业时所涉及的相关问题。对国内外关于多浮体的水动力干扰问题的研究现状、研究方法和发展趋势进行了较为全面的综述分析，确定了本课题的研究方法。 （2）建立了三维旁靠浮式结构与系泊系统间耦合作用的分析模型，在验证造波可行的情况下，对窄缝间设置的波浪监测点的波高进行数值计算，并将得出的结果与现有的文献进行比较，验证了模拟方法的可行性与有效性。 （3）分别研究了波长和浪向对两旁靠浮式结构与系泊系统之间的耦合作用的影响，计算了旁靠浮式结构窄缝间波面升高以及系泊受力等问题，对比分析了不同浪向下浮体的运动与受力情况。研究发现：不同的波长对于旁靠浮体的影响较不同浪向的情况要小，并且得出斜浪相较与其他两种工况来说窄缝流场振荡要大的多。。 （4）计算分析了旁靠浮式结构不同间距以及不同的系泊方式对两旁靠浮式结构系泊系统的影响，分别从浮体运动、系泊受力和波面升高三个方面进行对比分析，得出不同的间距较不同的系泊方式对两旁靠浮式结构物的影响更大的结论。

目录

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第1章 绪论

1.1 选题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 单浮式结构与系泊系统的耦合作用研究

1.2.2 多浮体系统的水动力特性分析

1.2.3 浮式结构间的多重耦合作用

1.2.4 水池模型试验

1.3 本文研究内容及研究方法

1.4 本文创新点

第2章 数值模拟基本理论和方法

2.1 计算流体动力学原理

2.2 流体的基本控制方程

2.3 湍流模型

2.4 数值方法

2.4.1 离散方法

2.4.2 自由液面的重构

2.5 自由液面运动处理

2.5.1 自由液面条件

2.5.2 初始条件

2.6 求解域边界条件设置

2.7 浮式结构运动方程

2.8 锚链的悬链线理论

2.9 本章小结

第3章 系泊状态下旁靠浮式结构间窄缝流场特性分析

3.1 软件简介

3.2 粘性数值波浪水池

3.2.1 规则波理论

3.2.2 速度入口输入式造波

3.2.3 阻尼消波法

3.2.4 数值水池基本参数及数值建模

3.2.5 数值模拟结果与分析

3.3 波浪作用下旁靠浮式结构间窄缝流场计算

3.3.1 计算模型的主要参数

3.3.2 几何模型的建立

3.3.3 模型网格划分

3.3.4 系泊系统的设置

3.3.5 波浪监测点的设定

3.4 数值模拟数据对比及验证

3.5 本章小结

第4章 不同波浪参数对旁靠浮式系统的影响

4.1 不同波长对旁靠浮式结构与系泊系统的水动力性能的影响

4.1.1 计算模型

4.1.2 不同波长对旁靠浮式结构运动的影响

4.1.3 不同波长对旁靠浮式结构缆绳受力的影响

4.1.4 不同波长对旁靠浮式结构波面升高的影响

4.2 不同浪向对旁靠浮式系统的影响

4.2.1 不同浪向计算模型的说明

4.2.2 不同浪向下浮体运动的对比

4.2.3 不同浪向下缆绳受力的对比

4.2.4 不同浪向下波面升高的对比

4.3 本章小结

第5章 不同间距和系泊方式对旁靠浮式系统水动力特性的影响

5.1 不同间距对旁靠浮式系统的水动力性能的影响

5.1.1 计算工况

5.1.2 不同间距对旁靠浮式结构运动的影响

5.1.3 不同间距对旁靠浮式结构缆绳受力的影响

5.1.4 不同间距对于旁靠浮式结构波面升高的影响

5.2 不同系泊方式对旁靠浮式结构物间的影响

5.2.1 不同系泊方式对系泊浮式结构运动的影响

5.2.2 不同系泊方式对缆绳受力的影响

5.2.3 不同系泊方式对系泊浮式结构波面升高的影响

5.3 本章小结

总结与展望

本文总结

研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢