冰间湖内系泊平台水动力载荷特性与大幅运动响应机理研究

As resource extraction in Arctic region becomes viable, there has been an increasing interest and importance in the assessment of the hydrodynamic performance of a platform floating on polynya. Within the typical wave periods, large amplitude motions of the platform may be excited at multiple wave frequencies due to wave resonance itself inside the polynya and the resonant motion of the platform. However, the previous work is mainly based on the 2D linear theory, and the nonlinear effects still have not been taken into account properly. Specifically, the mechanisms for the excited large amplitude motions have not been thoroughly studied. Because of the above reasons, the hydrodynamic load features and large amplitude motion mechanisms of a platform floating on polynya will be investigated, through theoretical analysis, numerical simulation and experiments. On one hand, to obtain the amplitude-frequency response of the hydrodynamic load efficiently, and investigate the resonant features as well as the trapped mode effects, the 3D multi-domain hybrid method in frequency domain will be proposed. On the other hand, to simulate the large amplitude motion of the platform accurately, and investigate the higher order resonant response, the time domain nonlinear BEM model established on the instantaneous wetted body surface will be adopted, and both the fully nonlinear free surface condition as well as the ice covered condition will be considered. Finally, by using the unbreakable ice sheet, the laboratory experiment will be carried out to verify the accuracy of the proposed numerical method. Through systematic studies, the hydrodynamic load features and the mechanisms for the large amplitude motion will be uncovered.

冰间湖内系泊平台水动力及运动响应分析，是关系到极地资源开发的重要课题之一。由于冰间湖内水波共振和波浪力频率接近平台固有频率，典型波浪周期内，平台可能在多个频率下发生大幅运动，对人员、财产和极地环境构成巨大威胁。目前该方面的研究主要基于二维线性简化模型，尚未合理考虑流场中的非线性效应，对平台大幅运动响应的机理研究也十分匮乏。鉴于此，本研究拟联合采用理论推导、数值建模和物理实验以解决这一复杂科学问题。一方面，为快速分析平台水动力载荷的幅频响应，并研究其共振特征及捕获振型效应，建立三维多流体域频域匹配数值模型。另一方面，为精确模拟平台的大幅运动，并研究其高阶共振特征，在物体瞬时湿表面上建立时域边界元模型，考虑完全非线性的自由表面条件和冰层覆盖流体表面条件。最后，利用非冻结不可破碎模型冰，设计水池实验，验证数值模型有效性；开展系统分析，总结平台的水动力载荷特性，揭示其大幅运动响应产生的力学机理。

极地地区环境载荷复杂，在弯曲重力波作用下，当平台自身固有频率与冰间湖固有频率相近时，容易引起平台的大幅运动，很可能会引起平台的整体倾覆，对生命和财产安全构成严重威胁，引发重大环境问题。因此，对冰间湖内系泊平台水动力载荷与运动的精确模拟，是极地船舶绿色安全发展的关键问题之一。.由于冰间湖内流场具有非线性三维效应，本项目基于边界元法和弹性版理论，建立了冰间湖内系泊平台的水动力载荷及大幅运动响应预报方法。首先采用三维多流体域匹配方法，对整个计算流场进行了分解，运用Rankine源法，建立了内部子域速度势的边界积分方程，应用弹性版理论，推导了冰层覆盖子域速度势满足的边界条件，利用本征函数展开法，建立了子域内速度势级数展开式，定义了广义正交内积，结合子域间连续性条件，构建了冰间湖内系泊平台水动力的三维多流体域匹配频域模型。在此基础上，为计及自由表面的大变形与系泊平台的大幅运动，采用欧拉法与有限元法，建立了冰间湖内系泊平台与水波相互作用的非线性时域BEM模型。.结合物理实验，发现小波数下冰间湖内平台水动力载荷与开敞水域情况下结果相近。随着波数的增加，平台水动力载荷与运动呈高频振荡，且高频振荡点平台水动力载荷及运动响应大幅增大。与二维冰间水道不同，三维冰间湖内水波能量会横摇传播，导致了平台水动力载荷及其运动响应振荡形式的明显差异。此外，平台水动力载荷与运动性能受冰间湖尺寸、平台自身结构形式及平台位置影响显著。研究表明，冰间湖内平台系泊位置影响平台振荡形式，当平台远离冰间湖中心时，平台水动力载荷与运动振荡程度加剧。.本项目为冰间湖内系泊平台水动力载荷与大幅运动响应计算提供了快速精准预报工具，为极地平台结构设计与研发提供了基础性支撑，对于科研人员明细极地典型环境下水波与结构物相互作用机理具有重要意义。