数值波浪模拟及其在海洋平台动态特性分析中的应用研究

摘要

深水自身式钻井平台波浪载荷的准确计算一直是海洋工程领域的一个难题。提高波浪载荷的计算精度对于提升平台的安全性和经济性具有重要现实意义。本文以某型号自升式钻井平台为研究对象,通过计算流体力学软件Fluent模拟三维数值波浪,运用流固耦合的方法分别计算了自升式钻井平台桁架式桩腿和平台主体受到的波浪载荷及其结构应力分布。本文的主要工作内容及研究成果有:
　　(1)研究了论文涉及的基础理论,包括水动力学中的波浪理论和流固耦合基础理论。波浪理论部分包括线性波浪理论、Stokes波理论和随机波浪理论,给出了其基本公式。流固耦合理论部分包括流体控制方程、边界条件、结构运动方程和流固耦合的有限元法。
　　(2)仿照推板式造波机的造波原理,推导了基于推波板的动边界造波法生成的线性波浪的波面方程。利用Fluent软件中的UDF宏编制程序,实现了推波板的正弦运动、多孔介质消波以及Stokes三阶波的波面模拟。采用压力基求解器、VOF法和压力速度耦合的PISO算法求解非定常湍流流场,模拟波高为12m的三维数值波浪,包括线性波和Stokes三阶波,并将得到的数值波形与理论波形相比较,证明利用CFD方法模拟波浪的可行性。
　　(3)建立了该型号自升式钻井平台的三维有限元模型。在桁架式桩腿和平台主体的接触区域采用绑定接触模拟升降装置中小齿轮和齿条的接触形式,对该自升式钻井平台进行了重力载荷作用下的预应力模态分析,分析结果表明自升式钻井平台的固有频率较好地避开了波浪频率,避免与波浪发生共振。
　　(4)提出了先进的基于CFD的波浪载荷计算方法,分别计算了作为小尺度结构物的桁架式桩腿和大尺度结构物的平台主体受到波浪冲击时的波浪载荷,同时分别分析了桩腿和平台主体周围流域的流场特性,以及其结构的应力分布。指出在设计自升式钻井平台时需要特别注意波浪作用在桩腿上的弯矩和冲击平台时的翻转力矩。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究综述

1.3 本文主要研究内容及结构框架

1.4 本章小结

第2章 流固耦合分析的理论基础

2.1 波浪理论

2.2 流固耦合理论

2.3 本章小结

第3章 三维数值波浪模拟

3.1 基于推波板的动边界造波法

3.2 水质点速度造波法

3.3 两种方法的比较分析

3.4 本章小结

第4章 自升式钻井平台模态分析

4.1 自升式钻井平台概况

4.2 自升式钻井平台有限元模型建立

4.3 接触算法分析

4.4 自升式钻井平台模态分析

4.5 本章小结

第5章 粘性波浪与自升式钻井平台的流固耦合分析

5.1 基于Fluent和Workbench的流固耦合简介

5.2波浪载荷计算方法

5.3 模型建立与网格划分

5.4 计算结果与分析

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间主要的研究成果及参与的科研项目

致谢