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江苏大学硕士学位论文 摘要 甲板上浪是指海浪高度高于船体干舷，进而涌上甲板并对甲板及其上层建筑 造成破坏的现象。长期运作于深海的船舶及平台，在恶劣的工作环境下，更容易 产生甲板上浪，大量海水瞬时涌入甲板并对上层建筑物产生冲击，这种重复性的 冲击载荷可能使甲板及其上层建筑产生结构失稳和疲劳损坏，甚至有可能造成高 速行驶船舶的倾覆。 本文在综合考虑恶劣环境下海浪时速和海浪高度的基础上，分析了在海浪时 速2 0 公里时和浪高2 6 m 环境下的圆筒形钻井平台s e v e n 6 5 0 的上浪情形，并对 其进行了优化。研究结果如下： 1 ) 在分析现有波浪水槽模拟方法的基础上，基于粘性流体的运动微分方程 ( n q 方程) 和流体体积的v o f ( v o l u m e0 ff l u i d ) 模型，分析了在生波和消波 共同作用影响下的二维波浪水槽中的波浪成形状况，并得到了最佳能量函数中优 化的消波系数。通过不同的水槽水深波长比和水池长度波长比对生成波波形影响 的对比研究，得出最佳工作区域，并研究了不规则波的生成规律。 2 ) 在二维波浪水槽的基础上建立了三维数值波浪水槽，并对模型中的波浪形 态进行了分析，得出了水池各个位置的波浪变化及其关系，探索了波浪传播过程 中流体各个质点的流动情况，同时给出了各个质点的流体迹线图。结果表明在三 维波浪水槽模型下，距离消波区一个波长的区域不利于规则波的数值分析。研究 发现压力云图和速度云图中有和波浪传播过程中类似出现的月牙形状，并就其进 行分析研究。 3 ) 以深海海工平台s e v a n 6 5 0 为研究对象，数值分析了在时速2 0 公里时、 浪高2 6 m 的恶劣海况下的三维甲板上浪情形，并对各个液位、液压的监测数据进 行了分析对比。 4 ) 根据所提的4 种s e v a n 6 5 0 外飘角设计方案，进行液位、液压的分析，同 时提出结合数值分析方法和s e v a n 6 5 0 外形尺寸进行强度分析的方法，以确定最 佳的外飘角度。本文提出了一种新型丰字型支撑架设计，用以提高上层建筑物的 抗上浪能力，结果表明平台优化后的最大应力减小2 2 3 ，应力集中部位的平均应 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 力减少2 6 7 ，应力分布更加均匀，为上浪模拟实验及其f p s o 的建造和改进提供 了理论基础。 关键词：圆筒形钻井平台；甲板上浪；数值分析；优化；外飘角 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep h e n o m e n ao fw a v e sl e v e li sh i g h e rt h a nh u l lf r e e b o a r dw i t ht h er e s l u to f i m p i n g e m e n ta n dd a m a g et ot h eh u l la n dt h es t r u c t u r ea l o n gd e c ki sc a l l e dg r e e nw a t e l t h eh u l la n do f f s h o r es t r u c t u r eo p e r a t e di nt h es e v e r ed e e p w a t e ro ru l t r a - d e e p w a t e r e n v i r o n m e n ti sa l w a y se x p o s e dt ow a v er u n u pa n do v e r t o p p i n g t h ei m p i n g e m e n tt o s u p e r s t r u c t u r eo fw a v ei sr e p e t i t i v ea l o n gd e c kw h i c hc a u s e sh u l l a n do f f s h o r e s t r u c t u r e si n s t a b i l i t ya n df a t i g u ef a i l u r e g r e e nw a t e re v e nc a p s i z e st h es h i pw h i c hi si n ah i g h s p e e d b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ew a v es p e e da n dw a v el e v e lu n d e rs e v e r es e a c o n d i t i o n ，t h eg r e e nw a t e ro fc y l i n d r i c a ld r i n i n gp l a t f o r ms e v a n 6 5 0w a sa n a l y z e di n t h es e ac o n d i t i o n so f2 0 k m ha n d2 6 mw a v el e v e l t h i s p a p e ra l s oo p t i m i z e d s e v a n 6 5 0s t r u c t u r e t h ef o l l o w i n gi st h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t s 1 ) w i t ht h em o t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ( n se q u a t i o n ) o fv i s c o u sf l u i da n dv o f ( v o l u m eo ff l u i d ) m o d e l ，w ea n a l y z e dt h ew a v e sf o r m i n gs t a t eo f2 - dn u m e r i c a lw a v e t a n ki m p a c t e db yw a v eg e n e r a t i n ga n da b s o r b i n ga c t i o nt o g e t h e r t h eb e s tw a v e a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a so b t a i n e d t h r o u g hc o m p a r i s o na n dr e s e a r c ho ft h ei m p a c to n g e n e r a t e dw a v es h a p eb yd i f f e r e n tr a t i oo fw a t e rt a n kd e p t ha n dw a v el e n g t h ，b a s i n l e n g t ha n dw a v el e n g t h ，t h eb e s tw o r ka r e ai so b t a i n e d t h eg e n e r a t i o no fi r r e g u l a rw a v e i sa n a l y z e d 2 ) b a s e do n2 - dt a n k , 3 一dt a n kw a sd e v e l o p e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew a v ef o r m o ft h e3 - dw a v et a n k , a n dg o tt h ed i f f e r e n td i v e r s i f i c a t i o no fw a v eo fd i f f e r e n tl o c a t i o n a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e dt h ef l o wp a t ho fe v e r y p a r t i c l ea n dg e t se v e r yp o i n t st r a c eo ft h ew a v ed u r i n gt h ew a v ep r o p a g a t i o n i tw a s c o n c l u d e dt h a tt h e a r e aa w a yf r o mw a v ea b s o r p t i o na r e aa b o u ta w a v e l e n g t hw a s u n s u i t a b l ef o rt h ew a v es i m u l a t i o n t h i s p a p e rf o u n dt h e c r e s c e n ti n p r e s s u r e n e p h o g r a ma n dv e l o c i t yn e p h o g r a m 3 ) t h eg r e e nw a t e ro fs e v a n 6 5 0w a sa n a l y z e di nt h es e v e r es e as t a t eo f2 0 k m h 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 a n d2 6 mw a v el e v e l e v e r ym o n i t o r i n gl i n e ，p o i n t sw a v el e v e la n dp r e s sw a s r e s e a r c h e d 4 ) 4d e s i g nm e t h o d sa b o u ts e v a n 6 5 0 sf l a r ea n g l ew e r ea d v a n c e dt oa n a l y z e w a v el e v e la n dp r e s s u r e t h e nt h em e t h o dw a sd e v e l o p e dt oo p t i m i z es e v a n 6 5 0a n d o b t a i nt h eb e s tf l a r ea n g l ec o m b i n e ds t r e n g t ha n a l y s i sw i t hs e v a n 6 5 0 ss h a p e t h i s p a p e ra l s od e s i g n e das p e c i a lw e l d i n gp l a t ew h i c hc a nb eu s e di ns u p e r s t r u c t u r et o r e d u c et h ed a m a g eo fg r e e nw a t e r f r o mt h ea n a l y s i sr e s u l t , t h em a x i m u ms t r e s sw a s r e d u c e d2 2 3 i nt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na r e a ，a n dt h ea v e r a g es t r e s sr e d u c e d2 6 7 t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nb e c a m em o r ee v e n t h i sm e t h o dc o m b i n e sg r e e nw a t e r s s i m u l a t i o na n ds t r u c t u r e so p t i m i z a t i o no f f e r san e wm e t h o df o rp l a t f o r m sd e s i g n k e y w o r d s ：c y l i n d r i c a ld r i l l i n gp l a t f o r m ；g r e e nw a t e r ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n ； f l a r ea n g l e 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章 绪论 石油是重要能源，也是各国的战略物资。进入2 1 世纪以来，油气消费达到了 前所未有的地步，而且油气需求还在快速增加，有人悲观预计石油时代将在2 1 世 纪终结【1 1 。另一方面，据统计，全世界石油估计储量为5 6 0 0 亿吨，近海区域的石 油储备量为2 5 0 0 亿吨，约占4 5 。据世界石油机构统计，海洋的平均深度为3 7 3 0 米，水深3 0 0 0 - 6 0 0 0 米的海域占海洋总面积的7 3 8 ，目前世界己探明的海洋石 油储量的8 0 以上在水深5 0 0 米以内f 2 l 。目前世界上除了少数海域以外，大部分近 海油气资源已日趋减少，向深海发展是石油开发的必然选择。 深海钻井平台是实现深海石油开采的必要设备保障，国际上海洋钻井数量最 多的是美国，英国、印度尼西亚、马来西亚、印度、俄罗斯等国也为数不少。 1 9 6 5 年，美国埃克森石油公司在南加利福尼亚近岸海域用卡斯1 号钻井装置打 下了第一口深水井，水深1 9 3 米。此后，海洋石油钻井的数量越来越多，技术 装备也越来越先进。 随着海上油气业生产的发展，用于开采海洋石油和天然气的设备也在不断 发展。固定式生产平台在海上油田应用较多，平台一般为钢质桩基平台，由上 部结构、导管架和钢桩组成。上部结构包括生产设施、生活设施、动力设备等， 安装在导管架项部，通过桩腿连接构件和水泥浆与导管架结合为一个整体。导 管架固定在海底，导管架以下为钢柱，通过桩壁与土壤的摩擦力和桩尖提供的 承载力支撑整个平台以及所受到的自然环境荷载。随着技术的发展，浮式生产 系统开始广泛应用，浮式生产系统具有水深适应性广、抗风浪能力强、可长期系 泊、储，卸油能力大、投资低、可转移、可重复使用等优点，现已成为海上石油开 发工程装备中的主要设备。 1 2f p s o 的发展与国内现状 浮式生产系统分为浮式生产储卸油轮f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g e a n d 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 o f f l o a d i n g ( f p s o ) 和浮式储卸油轮( f l o a t i n gs t o r a g eo f f l o a d i n g ) 2 种。f p s o 有多种 名称，如浮式生产储油卸油装置、浮式生产储卸油轮、浮式生产储存外输( 卸油) 船、浮式生产储油装置等。由于f p s o 具有储油量大、消耗资金少、可重复使用等 优点而得到快速发展。截止到2 0 1 0 年，全世界可运行的f p s o 共1 9 3 艘【3 一。随着 海洋油气开采向深海的逐渐拓展，特别是海洋边际油f 日开发热潮的兴起，f p s o 备 受世界石油公司青睐。 1 2 1f p s o 的发展 f p s o 是目前海洋工程船舶中的高技术产品。1 9 7 7 年，西班牙s h e l l 公司首 次引入f p s o 概念，将1 艘5 9 0 0 0 吨载重量旧油船改装成f p s o ，用于地中海乍 斯特利翁油兀1 的开发，从而使海上油田开发摆脱了远距离的长输管道和终端设 施等所需的大量工程和投资。 从1 9 8 6 年到1 9 9 4 年，f p s o 在海上油气开发中的优势明显，并被广泛应 用。9 0 年代以后，随着海上油气丌发从陆地移向深海，f p s o 的：l 作海域也在 彳i 断拓展，进入了一个快速发展阶段，改装和新建的f p s o 数量迅速增加，并 h 现了l p g f p s o 、l n g f p s o 、f s r u 、f p d s o 等新技术【5 ，6 1 。据具美国海事咨 询机构一国际海协会( i m a ) 统计，从1 9 9 9 年到2 0 0 9 年，世界浮式生产系统 的拥有量增长了1 2 1 ，如图1 。1 所示。其中f p s o 一直足浮式生产没备市场的 t 导，到2 0 0 9 年，全球共有1 4 9 艘f p s o 投入运营，数量占至0 所有浮式生产装 置数量的6 3 ，如图1 2 所示，并且比例还会继续增加【7 1 。 - 一一a - - l 0 t t t 1 誊f 一毋 n i l ， 图1 1 世界f p s o 的发展【7 】 f i g 1 1t h ed e v e l o p m e n to ff p s oo fw o r l d t 7 口一矿口，、睡7l_， i一 雄 怅 像 薯 ltl，-，lt；，t， 芒，oc u。；jd王j窖一 江苏大学硕士学位论文 图1 2 f p s o 数量所占比例( 2 0 0 9 0 4 ) 1 7 1 f i g 1 2t h ep r o p o r t i o no ff p s o o i la m o u n t q 1 2 2f p s o 的国内现状 中国近海石油勘探从2 0 世纪5 0 年代术开始，1 9 8 6 年中国海洋石油总公司 第一次应用f p s o ( 南海希望号) 在北海进行油气开发。2 0 世纪的9 0 年代，义 乍r “南海发现”号、“南海了r 拓”号、“南海胜利”号和“南海盛开”号4 艘f p s o 在南 海的惠州油、两江油、流花油r t l 和陆十油田作、i k 【8 1 。 1 9 8 9 年，我国自主研发建造的第一艘f p s o 是由船舶工业研究所设计的渤 海友谊号，该f p s o 采用软刚臂系泊方式，【：作水深2 3 m 9 1 。渤海友谊号浮式 乍产储油船的设计与建造成功实现了国内浮式尘产储油轮零建造的突破，是我 国船舶工业在海洋工程领域的标志性产品。2 0 0 7 年，3 0 万吨海卜浮式z t i 产储油 轮海洋石油1 1 7 号在外高桥造船公司举行了命名仪式，是我国迄今为止建造的 吨化最大、造价最高、技术最新的海上浮式生产储油轮。2 0 0 9 年卜h 南通中远船 务公司建造的s e v a n6 5 0 平台是世界范围内第。座圆筒形海洋钻井平台。 s e v a n6 5 0 平台是个“巨无霸”，总商1 3 5 米，直径8 4 米，空载吃水7 8 米，l 叮 川于1 0 0 0 0 英尺( 约3 0 0 0 米) 深海海域作、i 址，拥有1 5 万桶原油的存储能力， 价值6 亿荚元。甲台 底部8 台推进器定位，并配置系汀】系统，典彳j 钻_ = l ：、储 油功能，建成后将和：北荚躜两哥湾投入! l 三产。如图1 3 所乃。 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 图1 - 3s e v a n 6 5 0 结构示意图 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r es c h e m a t i co fs e v a n 6 5 0 我幽已基本具备了设计和建造f p s o 的能力，我国已达到建造大型油轮的 幽际先进水甲，f h 在设计方面刚刚起步低于围外先进水平。 1 3f p s o 上浪研究进展 f p s o 是集海上石油开采、加工、储备于一体的大型海上石油开发平台系统， 服役时间长，常年暴露在风浪作用下，检修难度人，尤其是甲板上浪会对船体造 成淹湿、横摇和倾覆等巨大影响。甲板上浪是指海浪越过船体干舷冲上甲板对船 体甲板及附着物造成破坏的现象。目前各国专家都在致力于甲板上浪的研究，以 减少其对船体带来的损伤。 1 3 1 甲板上浪成型机理 甲板上浪主要是由于船首的下沉和海上波浪运动两种运动组合后的结果，一 般分为4 个阶段：水体沿船体上升、水体越过船体进入甲板、水体沿甲板流动、 冲击甲板建筑物。 甲板上浪有两种情形，如图1 4 所示：聚集在一起的水流沿着甲板直接冲击上 层建筑物；另。种翻卷的波浪掉在甲板卜并分成向前流向船体中心和向后流入海 洋的两股水流。在分流处会形成大量气泡并随两股水流流动，在自由面上破碎而 产乍的高压力会对结构造成破坏。 江苏大学硕士学位论文 邕妻，1 i 麓孪赢。，? 黧0 ，j 量邑二二誓蠢j ；寰烹= 蒹毳嚣烹e 黧嚣 图1 - 4 甲板上浪的2 种情形1 1 0 1 f i g 1 - 4t w oc a s c sf o rg r e e nw a t e r0 0 波浪伍冲上甲板后，会分成两部分，部分向后流向船河，爿部分则向前 流动，在分离处会出现空气泡( a i rc a v i t y ) 。随着波浪的流动，窄气泡由了j 受到挤 j i i 其容积逐渐减小，压力则逐渐增人最终对船体结构造成破坏。在波浪与甲板发 生冲击后，一部分波浪会以薄薄一层的形式沿着甲板向前流动并j 上层建筑物发 生碰撞，碰撞过程中形成飞溅的破碎水粒，这些水粒在重力的作用f ，上升到最 高位置后开始下降，最终冲击下面的水体和结构建筑。 1 3 2 甲板上浪的试验研究 目日订，火于甲板卜浪及其相应载荷的研究一 i 要集中在模型的试验研究方面。 b u c h n e r l l l l 在挪威的m a r i n t e k 水池进行了一系列的f p s o 卜浪试验。在水 深为1 5 0 m 的规则和不规则波l f l 进行了 二浪试验。该试验通过f p s o 上浪时的水流 r 岛度、流速、压力研究了船体和波浪之问的非线性关系，并结合了船艏形状进行 分析研究。结果表明，卜浪时冲卜 j 板的水流流动状况础赶坝理论( d a m b r e a k i n g ) 所描述的情形非常柏似，船首形状以及外飘角的人d , x 寸- j 二甲板卜浪时水的流动状 况有着较大的影响。上浪时的冲击载荷j 船首形状存在着较为复杂的关系。 s t a n b e r g 和k a r l s e n 1 2 】也在m a r i n t e k 水池中以1 ：5 5 的比例对一艘2 0 0 m 长 的f p s o 的i 二浪情形进行了试验。结果表l 刃：船j ! i f l 神j 遇到人i n j 陡的波浪时，t l ；j f t l ( i 乖“办阳速度最人时，j ：浪的概率最人，弹f l 板l ：浪时冲b 力集t 啪：极矩的时 问内发，i - ，i f j 板审受到的冲击载衙州对船阿舷墙婴小的多1 1 2 j 。 h a m o u d i 和v a r y a n i i ”j 以1 ：7 0 的比例试验研究了艘高速行驶的集装箱船在 不同波高下的甲板上浪情形，为了简化试验，假设船体只有向f j 的运动形式1 1 0 l 。 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 结果表明：甲板的上浪次数主要取决于甲板干舷高度，甲板受到的上浪载荷是由 上浪水量、船体速度以及甲板干舷高度共同作用的【1 0 l 。 在理论研究方法和计算手段尚且有限的情况下，试验研究对上浪问题机理的 探索具有极其重要的作用。同时考虑到工程实用性，上浪时甲板所承受的压力和 上层结构所受的冲击力，是工程界更为关注的问题。当前，关于f p s o 甲板上浪的 研究大部分都集中在试验方面，今后的研究重点应放在甲板上浪的动态模拟上， 并将试验与模拟结合起来，应用到工程中去。 1 3 3 甲板上浪的理论研究 甲板上浪涉及到波浪的强非线性问题以及固液耦合问题。早期关于这些问题 的研究是以试验为主的，随着计算手段的发展，甲板上浪的理论研究也取得了一 定进展。 ( 1 ) 概率过程与线性水动力理论相结合 分析甲板上浪的传统方法就是将概率过程和线性水动力理论相结合。通常的 做法是将相对波浪运动的干舷超越量作为上浪发生的基本条件，把相对运动位移 随时间的变化看成是一个随机过程，那么甲板上浪问题就成了一个随机过程过阈 特性的统计问题，这个阈值就是干舷高。v e r m e d l 4 1 考虑静态上涌和动态上涌对相 对运动的影响，将上浪发生条件表示为： 6 = h s + ( 1 一l l d ) ( 写+ l0 - z ) 一f 0 ( 1 1 ) h d ：( c b _ - 0 一4 5 ) 魄瓜 ( 1 2 ) 式中6 为干舷超高，f 代表干舷，亏为波高，l 为相对于重心的纵向位置，0 和 z 为纵摇角和升沉，h b 为静态上涌高度，h d 为动态上涌高度修正系数，c b 是方形系 数，峨为波浪遭遇频率。其中h d 的修正是采用t a s a k i 通过试验得到的公式，其中 f n 、c b 、哦、分别满足0 1 6 f o 0 2 9 、0 6 c b o 8 、1 6 魄i - g 0 ( 1 3 ) 6 江苏大学硕士学位论文 式中，v 。表示来流中流体质点沿舷弧法线方向的速度分量，v 。、v 1 分别是来流 流体质点速度的纵向和横向分量，p 是该舷段与x 轴之间的夹角。但是在使用这种 方法研究甲板上浪时，需要对甲板上浪时的船舶的自由度进行预测。 在国内，戴遗山【1 5 1 、王仁康【1 6 】等通过概率统计理论来计算上浪概率以及甲板 上浪次数，最终预测甲板上浪时船舶的受损程度，发展了对工程应用具有实用价 值的理论计算方法。 然而上浪是一种复杂的非线性运动，这种方法仅包含了主要的线性效应，不 能描述上浪过程中的流体运动以及流体对甲板及其上层建筑物的冲击力等，很难 估计甲板上浪对船体结构的破坏。由于概率分析的方法没有在机理上对甲板上浪 给出合理解释，其方法仅仅在改善船舶外形方面提供一定参考价值。此后相继出 现一些数值理论方法像越浪理论和洪水波理论等，以解决该问题。 ( 2 ) 浅水近似理论 此后科学家将传统理论和模型试验相结合，提出了一些改进方法，例如为了 模拟甲板进水现象，采用了溃坝理论和越浪理论等。c o d a 【1 7 】提出用溃坝理论模拟 甲板上水流动，b u c l m e r 【1 1 1 进一步完善了该理论，他将上浪时水位的实时变化引入 动量变化中去，得到了水压估算公式： p ：垡( 丝：坠+ p g h c o s 0 ( 1 4 ) 出 式中，h 为上浪时的水位高度，w 为甲板上浪时的垂向速度，0 为上浪时的纵 摇角。公式右侧第一项为水位变化产生的压力，该项主要与船体与波浪的相对速 度有关。第二项是由于流体的惯性力产生的压力，主要与船首与波浪的相对位置 有关，其中第一项对于上浪载荷峰值的计算起着决定性作用。 g r c c o 1 8 】基于溃坝理论建立了一个非线性的有限元边界模型，来模拟甲板上浪 时，波浪在甲板上的整个流动情形。研究表明纯翻卷的波浪总是和将要破碎的波 浪连在一起，而不是船体和陡波相互干扰的结果。朱仁传等【1 9 l 利用越浪理论模拟 了运动中的甲板上浪并通过试验进行了验证，发现越浪理论结果和低航速行驶下 的船舶的甲板上浪试验结果接近，但与船舶在高速运行情况下的试验结果的偏差 较大。 o g a w a 2 0 1 j 人，溃坝理论不适用于有航速的船舶的甲板上浪模拟。在对甲板 上浪时的水流速度和体积量求解时，采用二维瞬间溃坝理是比较有效的；但该方 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 法没有考虑到流上甲板的水流之间的相互作用问题。通过计算甲板上的流体的时 域运动问题可以有效解决该问题。洪水波理论是解决该问题实现模拟的有效理论 方法。o g a w a 将洪水波理论和w a g n e r 理论估算方法进行结合，并通过试验进行验 证得出：该方法考虑了船体与波浪的相对运动，其结果更加真实可靠。 由于以上方法忽略了甲板内外水体的紧密联结性，因此模拟结果并不准确。 洪水波理论【2 l 】、浅水波模型阎被用来模拟流体在甲板上的流动，但这类方法仅适 用于浅水区即甲板上海水流动。近年来随着计算机的发展，一些能够比较精确地 追踪重构自由面的数值方法如m a c ，v o f ，l e v e l s e t ，s p h ，c i p 等被引入求 解有较大变形的自由面问题，并取得很大的进展，其中对c f d 方法的运用已比较 成熟。 ( 3 ) c f d 方法应用 随着计算机运行速度的提升，数值模拟甲板上浪的现象更加普遍。一些能精 确模拟自由面的运算方法随之产生，像v o f 法、s p h 法等已成功应用在c f d 软 件中。 p h 锄嗍利用c f d 软件，模拟了高速行驶下的船舶甲板上浪情形，并研究了上 浪时挡浪板的挡浪效果，并将其结果与试验进行了对比。结果证明：该方法得到 的压力时历曲线、峰值、趋势和曲线的范围与试验曲线吻合的比较好。而采用溃 坝理论得到的结果则明显偏小，不适合于高速行驶下的船舶的上浪分析。由于模 拟中船体是固定的，无法反映船体的运动情形对上浪的影响。p h a m 利用简化后的 溃坝模型模拟了甲板上的水流流动，该方法与真实的甲板上浪的差距较大。 y a m a s a k i 2 4 等基于m a c 方法对局部加密的自由面采用密度函数，模拟了规则 波下的甲板上浪。结果表明：该方法适合于不加挡板的固定的船体甲板上浪试验。 n i e l s e n 等【2 5 l 利用n e r v i e r - s t o k e s 方程求解器和v o f 方法，得出船体固定的上 浪现象能够进行有效模拟的结论，但是对运动的船体和波浪之间的相互作用结果 尚不理想。h u nc ta l f 2 6 】采用c i p 方法的模拟可以很好地描述浮体运动的强非线性特 征，反映了上浪对浮体运动的影响，但研究主要在二维理论范畴内针对于箱体在 规则波作用下运动响应预报，没有考虑三维效应。张照钢1 2 7 1 在v o f 法的基础上运 用动边界造波，对规则波中的浮体甲板上浪进行了2 d 数值模拟，得到了在不同倾 角下甲板上浪的波形时历，模拟结果与试验比较一致。但是模拟中未考虑影响流 8 江苏大学硕士学位论文 体表面曲率的表面张力、p i v 的定位角度和水的折射等因素，导致模拟和实验图像 的少些差异。梁修锋例对f l u e n t 软件进行二次开发，再现了非线性较强情形下 物体在波浪上的运动、上浪发生时的细节和上浪冲击产生的载荷，与实验相符。 朱仁传【冽利用势流理论方法和c f d 技术建立了一种能够准确地再现甲板上浪现象 的数值模拟方法，通过势流理论计算给定船体的运动规律，同时船体的运动采用 移动网格技术，为进一步分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用提供了基础。 通过对以往甲板上浪数值模拟的分析，不难发现，随着计算机的发展与应用， c f d 技术、f l u e n t 软件等已广泛应用到甲板上浪的数值模拟当中。例如梁修锋 等【2 8 】基于f l u e n t 软件的二次开发，编写了用于造波、消波的自定义函数，得出 了与模型试验相似结论。同时利用各个理论的优点进行组合应用不失为一种好的 模拟甲板上浪的方法。势流理论一定程度上反映了波浪与船体的相互作用，但不 能给出波浪船体相互作用时的流场细节；c f d 技术能完全模拟流体与船体的相互 作用，但计算量过大，精度与稳定性也很难保证；移动网格技术能在数值模拟中 真实地再现浮体在波浪中运动的甲板上浪现象。朱仁传【2 9 1 采用v o f 方法追踪自由 面，利用势流理论计算船体运动规律，通过移动网格技术模拟船体运动，对上浪 机理进行了较清晰的描述。朱仁传等【1 9 l 通过洪水波理论求得甲板上水层高度，再 利用越浪理论计算船舱进水量，得到上浪对于船舶稳定性的影响。 航行在波浪上的船舶可视为刚体，存在空间六个自由度的运动，分别为垂荡、 横摇、纵摇、纵荡、横荡、首摇，其中垂荡、横摇、纵摇三模态具有恢复力或恢 复力矩项。但是横荡、首摇由于不存在恢复力或恢复力矩，在用龙格库塔方法求 解运动微分方程时，船舶的横荡和首摇运动随着时间的增长而产生发散现象，导 致整个求解过程无法进行i s 。为了研究海浪对船体运动的影响，国内外很多研究者 提出了新方法，其中a b s 开发的船舶运动和波浪载荷时域预报程序考虑了自动舵 的作用【2 3 1 ，通过简单的p i d 算法进行舵的控制，保持船体航行时的方向不变。日 本学者f u k a z a w a 3 1 j 从水平运动本身研究解的发散问题，提出用数字滤波技术消除 发散成分，确定稳态的运动响应。但该方法计算机时过多，给实际应用带来不便， 同时也存在很大的不准确因素。刘利琴等分析了船舶首摇和横荡时上浪情形，但 船舶转首和横向运动与实际流体中情况相差较大，不能准确呈现船舶在波浪条件 下的运动轨迹变化。现在比较普遍的做法都是将船体进行固定，来模拟甲板上浪 9 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 情形。 我国已制造十余艘f p s o ，虽然积累了较为丰富的制造经验，但关于上浪的理 论分析我国尚处于起步阶段。本节重点介绍了目前国内外关于甲板上浪的实验及 其数值模拟方法，重点对近年来关于甲板上浪的模拟实验方法进行了归纳与总结， 探讨了关于模拟的上浪的发展趋势。对今后的上浪模拟有一定的指导作用。 1 4 选题的意义及来源 本课题来源于江苏省科技成果转化专项( b a 2 0 0 9 0 7 6 ) 、江苏省自然科学基金 ( b k 2 0 1 0 0 4 2 ) 和江苏省“3 3 3 工程”科研项目( b r a 2 0 1 1 1 8 0 ) 。南通中远船务承 建的s e v a n 6 5 0 是世界最先进的首座圆筒型超深水海洋钻探储油平台，具备3 0 0 0 米水深和1 2 0 0 0 米井深的钻探能力，平台装有8 台全回转推进器和当今最先进的 d p 3 动态定位系统及系泊系统，具有最高航速9 节的自航能力，遇有大风浪可自 行调节、平衡定位，确保在1 0 级风浪的恶劣海况下仍能实现正常的钻井作业。2 0 1 1 年南通中远船务建造的s e v a n 6 5 0 完工并交付投入使用。 圆筒型s 目正钒6 5 0 海工平台能否在恶劣海况下连续工作已成为关注的焦点， 其在恶劣海况下的上浪情形需要进一步研究分析。江苏大学与南通中远船务进行 了深层合作，以对其进行进一步研究，设立了多个研究课题，包括海工平台 s e v a n 6 5 0 的虚拟装配、尺寸链精度控制研究、全球g p s 精确定位、s e v a n 6 5 0 在恶劣海况下的上浪情形等等。 由于海工平台常年固定在一个位置，受到甲板上浪的冲击比较大，研究甲板 上浪对其非常有意义。像s e v a n 6 5 0 这种浮动工作在深海中的海工平台，遇到的 波浪更大更剧烈，甲板上浪产生的危害更严重，为确保其在恶劣海况下不至于遭 受损害，研究其在极端恶劣情形下的甲板上浪情形必不可少，通过研究找出平台 的薄弱部位，进一步对其进行优化，是非常有必要的。2 0 1 1 年南通中远船务开始 建造s e v a n 6 5 0i i ，只有通过不断的研究与优化才能不断保持s e n v a n 6 5 0 系列的 领先性与创新性。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 5 本文主要工作及创新点 1 5 1 本文主要工作 f p s o 常年系泊于特定海域，所遇海洋环境极为复杂，甲板上浪时有发生，上 浪水体对船体及甲板设备造成了严重损坏，很早前就引起海洋工程界的极大关注。 本文研究目的是建立一种能够对f p s o 在恶劣海况下的甲板上浪现象进行再现的 数值分析方法。在深入了解甲板上浪机理的基础上，用数值分析结果来研究甲板 上浪对f p s o 的危害程度，并采取针对性的措施( 如进行船型优化) ，以尽可能避 免甲板上浪的发生，减小上浪对f p s o 的危害。 本研究首先在分析研究国内外学者建造的波浪水槽的基础上建立了二维波浪 水槽。该二维波浪水槽包涵了通用的一些数值模型，其中既包括了v o f 模型、n s 方程、k - 模型也包含了造波和消波函数的u d f 编写。通过与实验的对比确立了 消波区的最佳消波系数。建立了不同水深波长比和水池长度波长比的二维波浪水 槽，通过对比研究得出了不规则波的生成规律和最佳工作区域。 随后将二维波浪水槽扩展为三维波浪数槽，通过对各个监测点的检测数据的 对比，得出了波浪在传播过程中的各个位置的波浪变化及其关系，同时得到了各 个质点的流动轨迹图，对传播过程中的波浪形态进行了研究分析。并对压力云图 和速度云图中出现的月牙形状进行了分析研究。 将深海海工平台s e v a n 6 5 0 的模型放入三维波浪水槽中，数值分析了其在2 0 公里时、浪高2 6 m 的恶劣海况下的甲板上浪情形，通过对各个液位、液压监测数 据的分析对比，对该海况下的甲板上浪的过程进行了研究分析。并根据一般船只 和s e v a n 6 5 0 的外飘角的差异，设计了4 种外飘角，分别模拟分析了s e v a n 6 5 0 在这4 种外飘角下的上浪情形，以确定适合s e v a n 6 5 0 的最佳外飘角度。 本研究还结合了地q u s 对各个外飘角下的s e v a n 6 5 0 上浪时的情形进行了 强度分析，最终确定了适合s e v a n 6 5 0 的最佳外飘角度。结果表明在确定外飘角 时，仅仅靠上浪时各个位置的液位高度和压力来进行船体优化是不可靠的，需要 结合船体本身结构和材料进行强度校核。最后本研究还设计了一种安装在上层建 筑内部厚度方向的丰字型支撑架用以提其抵抗严重上浪情形的能力，为上浪模拟 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 实验及其f p s o 的建造和改进提供了理论基础。 1 5 2 本文创新点 目前国内外学者大部分都注重研究波浪涌上甲板时各个监测点的水位及其压 力的变化，也有研究工作是通过f l u n e t 、c f x 等模拟软件对上浪进行模拟，来 监测液位、液压、速度、轨迹等物理量，并根据这些物理量来优化船体，但是模 拟数据和船体结构优化没有建立关联。 本文通过f l u e n t 建立了考虑造波和消波作用的三维波浪水槽，并将s e v a n 6 5 0 模型放入波浪水槽中，对甲板及其上层建筑的各个监测点进行压力监测，得出 甲板上浪时的各个监测点的压力变化情况。然后将得到的各个监测点的压力变化 数据导入数值分析程序中，输入船体钢板材料特性，对甲板上浪时的情形进行分 析，并根据分析结果对船体进行结构优化处理。 本文提出上浪分析和结构优化之间的无缝对接，并进行了开发，实现了对深 海钻井平台上层建筑的加载，确定了s e v a n 6 5 0 的最佳外飘角度，提出了一种新 型丰字型支撑架设计，用以提高上层建筑物的抗上浪能力。所提的平台设计优化 方法，可以指导设计人员更好地设计和优化船舶和平台，应用于同类船舶及平台 的早期设计。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第二章甲板上浪的数学模型和数值分析方法 甲板上浪涉及到的数学模型和方法主要包括：连续性方程、动量方程、v o f ( 自由面追踪) 方法、交错网格技术、边界条件和初始条件以及动量方程和边界 条件中所用到的自定义函数( i j l ) f ) 。 2 1 连续性方程( n - s 方程) 连续性方程的含义是包含在流体系统中的流体质量在运动过程中保持不变， 或者说，在一固定空间中的流体质量减少率等于在此期间通过其表面的质量通量。 前者针对系统，后者针对控制体。将此定律作为数学表达式连续性方程【3 2 】。 对于自由面流动问题，流体是不可压的，流体的粘性系数为常数，控制方程 n _ 方程可以简化为： 望+ 旦幽+ 皇逊+ a ( v w ) ：0 a缸 勿 七 ( 2 1 ) 式中：p _ _ 体的密度； l 卜- x 方向速度分量； v 一y 方向速度分量： w _ - z 方向速度分量。 n s 方程可以比较准确地描述实际的流体运动。 2 2 动量方程 动量平衡是流体运动时必须遵循的普遍定理。动量平衡的含义为，对一定的 流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和。 对于不可压缩的常黏度流体的动量方程，其x 、y 、z 方向上方程分别为： 以詈+ “罢+ y 考+ w 考，= 以一警+ c 窘+ 矿0 2 u + 0 眩2 u 一) c 2 1 3 恶劣海况下圆筒型海工平台甲板上浪研究与结构优化 厦害+ 口象+ v 考+ w 参= ，i 一考+ 以窘+ 矿0 2 v p k -+ 爿+ 口+ ，+ w l =一二+ 翻- + l + - l a舐西昆7 7 卸厂、魂2 却2 瑟 反掣+h尝+y考+w0w=pf=dt一警+ c 窘+ 窘+ 烈_ + h i + y i + w i ) 2一士+ ( 百+ 百+ 西) 蹴 鲫 疵位改。 咖。 庞。 式中：卜流体的密度； l 卜- x 方向速度分量； v _ _ y 方向速度分量： w - 卅方向速度分量： f i 质量力。 2 3 自由面追踪方法( v o f 方法) ( 2 3 ) ( 2 4 ) v o f 方法属于用欧拉观点处理多相流的计算方法，适用于计算空气和水这样 不能互相参混的流体流动，如射流破裂过程、大型气泡在液体中的运动、大坝溢 流以及追踪气液自由表面的问题。v o f 方法通常用于模拟流体的非定常运动过程， 但是也可以模拟定常运动问题。 不可压缩流体的v o f 方法的控制方程为： 暑+ 罢+ v 考= 一警+ vc 嘉+ 酽a 2 u 1 1 ，c 2 射 一+ + v 一= 一二+ vl 一十一， l z 3j a次 匆 a i 【叙2 由2 害+ 警+ v 考= 一警+ vc 等+ 雾，- g u c 2 剐+ + v = 一二+ vl 十，k z o 夕 a t 苏钾 彘 叙。却。 垫0 t + u 詈+ v 考一警+ vc 窘+ 争