深海Spar平台月池流体运动特性及平台主体-月池流体耦合非线性运动研究

Spar平台月池底部呈半封闭状态，随着平台的升沉和摇摆运动，海水不断流入流出月池，在波浪幅值大、频率成分丰富的高海况下，月池内海水的大幅非线性晃动将被激发，月池流体与平台主体运动耦合显著，严重影响平台主体运动。本项目研究高海况下深海Spar平台月池流体运动及平台主体与月池流体耦合非线性运动特性。采用计算流体力学方法，研究月池流体的大幅非线性运动；基于模态理论和有限元法，研究月池流体运动的等效力学模型；综合考虑平台主体垂荡-纵摇耦合的非线性参数激励运动及月池流体的流动，建立平台主体-月池流体耦合运动模型；考虑主体模态内共振关系，研究耦合系统的能量饱和及传递、运动响应跳跃、超谐和亚谐分岔及混沌等非线性行为，揭示月池流体对平台主体运动的影响规律，对月池及内部结构参数进行优化设计，有效发挥月池对平台运动的调控作用。本项目为精确预报高海况下Spar平台运动响应及提高平台动力稳定性奠定一定的理论基础。

根据设计要求，一些Spar 平台的月池设计成半封闭状态，随着平台的运动，海水不断流入流出月池。若采用顶张紧立管，则月池内流体的质量与平台主体质量的量级相当，月池内流体的运动对平台主体运动的影响不可忽略。本项目采用理论分析、数值模拟和模型实验相结合的方法研究深海Spar 平台月池流体运动及平台主体与月池内流体的耦合运动。.基于计算流体力学方法，研究了月池内流体的运动；建立了平台主体与月池流体的耦合运动方程，研究了平台主体和月池流体之间的耦合作用，进行了参数敏感性分析；基于线性势流理论，研究了月池内流体的自振特性及月池的水动力参数；研究了Spar平台的垂荡-纵摇非线性耦合运动，确定了平台不稳定纵摇参数域；推导了月池流体晃动的等效单摆模型，编制了通用计算程序，分析了单摆参数随月池参数变化的规律，建立了不同水深的模型参数库；开展了模型实验，验证了理论分析的正确性。.研究表明：月池开口后平台垂荡固有周期和附加质量增加，不同的月池底部开口面积对应不同的垂荡阻尼；月池流体对主体垂荡有抑制作用，波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时也会激起主体较大的垂荡，耦合系数对主体垂荡影响显著；流体垂向模态自振频率主要由月池水深决定，晃荡自振模态频率主要由月池两侧壁间距离决定，在月池流体的自振区间内，月池附加质量为月池自身排水量的数倍；平台运动对波浪频率非常敏感，随着波浪频率变化，平台运动存在2倍超谐运动、1/2亚谐运动、概周期运动及混沌运动；二阶单摆质量远小于一阶单摆质量及等效刚体质量，计算中可忽略二阶以上流体晃荡对结构运动的影响。.通过对月池结构优化设计，可有效发挥月池对平台运动的调控作用。本研究结果为精确预报Spar 平台运动响应及提高平台动力稳定性提供了一定的理论指导。