多浮体窄缝内流体共振的抑制方法研究

摘要

在海洋工程中经常会遇到多浮体联合作业的问题。与结构的尺寸相比，它们之间往往存有特征尺寸较小的间隙。例如，由许多分离模块组成超大型浮式结构（VLFS），并靠作业的液化天然气船（LNG）与浮式生产储油卸油装置（FPSO）及停泊在码头前的船舶等。当入射波浪的频率与缝隙间流体的固有频率接近时，会发生流体共振现象，导致窄间隙内流体大幅度垂直振动，从而加大了结构物的升沉运动和所受到的水动力荷载，严重危害海上作业的安全。因此，对浮体间窄缝内流体共振波高抑制的研究有着重要的工程意义。 本文分别开展了利用气幕和开孔金属网来抑制浮体窄缝流体共振的研究，并对其性能等展开了比较系统的分析。为了认识和理解气幕与波浪相互作用特性，进一步展开利用气幕抑制双浮体窄缝内流体共振波高的实验，本文首先对气幕结构的消波性能展开了物理模型试验研究，主要包括气幕结构的吃水深度d、供气量Q等因素对消波性能的影响，并分析比较了单排和双排气幕结构的消波性能。实验研究表明：气幕结构对周期相对较短的入射波具有较好的消波性能；气幕结构的供气量Q越大，对入射波的消波效果越好；气幕结构的吃水深度d越大，消波效果越好；在同等波浪要素的入射波作用下，双排气幕结构在气幕间距为二分之一波长时，消波性能优于单排气幕结构。 在上述工作的基础上，本文开展了利用气幕来抑制双浮体窄缝内流体共振波高的实验研究。实验中用两个并靠放置的方箱来模拟海上双浮体结构。重点研究了气幕结构的安放位置、气幕供气量Q对抑制窄缝内水体共振波高的影响。研究工作表明，当方箱脱离气幕左右摆动范围，在气幕产生的水平表面流影响范围之内时，气幕对窄缝内流体共振的抑制效果最佳，且气幕安放在此范围内，其供气量越大对窄缝内流体的共振抑制效果越好。而当方箱在气幕左右摆动范围内时，气幕反而会加剧浮体窄缝内流体的共振。 最后，本文展开了利用金属网来抑制窄缝流体共振波高的研究。重点对金属网的开孔率和安置宽度两个因素开展了实验和数值研究。研究工作表明：金属网可以对窄缝内流体共振波高以及浮体所受的水平波浪力Fx起到一定的抑制效果。金属网的开孔率越小，对窄缝内流体共振波高的抑制效果越好；窄缝内的金属网宽度越大，对流体共振波高及浮体所受水平波浪力Fx的抑制效果越好；此外，金属网的开孔率及宽度的变化对作用在浮体上的垂向波浪力Fy影响较小。

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