全非线性波浪作用下张力腿平台高频共振响应特性研究

With the development of ocean exploration toward the deep water, the conditions of marine environment are becoming severe, and the nonlinear effect of waves plays a more significant role in the marine engineering field. High-frequency resonant response phenomenon is more likely to be induced by high-frequency wave components for marine structures, which is aggravating with the increase of water depth. High-frequency resonant response phenomenon affects the safety of the structure. Therefore, a higher-order boundary element method is developed to simulate interactions between waves and 3-D structures in open water based on the fully nonlinear time-domain potential flow theory. A Mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) technique is utilized to track the free surface. A velocity potential separation method is used to impose the radiation condition at the far field, with incoming waves obtained either from explicit mathematical solution or from the implicit numerical solution. The re-meshing technique and the auxiliary function method are also adopted. The developed models are applied to study the interactions between regular waves, unidirectional or multidirectional extreme waves and bodies. The comparisons with the published experimental and numerical results are carried out to verify the models. On the basis of these, the high-frequency resonant response phenomenon of TLP under the action of regular waves, unidirectional or multidirectional extreme waves are simulated. The numerical results are summarized and analyzed comprehensively, which aims to illustrate the fundamental mechanism of the high frequency resonant response phenomenon and its influencing factors.

随着海洋开发逐渐向深海领域发展，海洋环境条件更加恶劣，海洋工程领域需要解决的波浪的非线性效应更加显著。非线性波浪的高频分量容易诱发海洋结构物产生高频共振响应现象，且随着水深的增加而加剧，对结构物的安全性构成重大威胁。为此，本项目拟基于势流理论，应用高阶边界元方法建立开敞水域波浪与三维结构物相互作用的完全非线性数值模型，利用混合欧拉-拉格朗日法更新自由水面，采用速度势分离法解决远场辐射边界条件问题，其中入射波通过理论解或数值解给定，同时辅以网格重构技术，辅助函数方法等。然后，利用所建立模型开展规则波、单向和多向极值波与结构物相互作用的模拟研究，通过与已发表实验和数值结果对比，验证模型的准确性。在此基础上，对规则波、单向和多向极值波作用下张力腿平台的高频共振响应现象进行模拟研究，通过对数值计算结果的全面总结与分析，探讨高频共振响应现象的产生机理及其影响因素。

随着海洋开发逐渐向深海领域发展，复杂的海洋环境使得海上结构物可能承受恶劣海况下极端波浪的作用，从而产生高频共振响应现象，使结构物遭受巨大破坏。因此，准确预测波浪与结构物的全非线性相互作用具有重要作用。本研究基于高阶边界元理论，应用势流理论，建立了开敞水域波浪与三维结构物相互作用的全非线性时域数值模型。模型中，通过速度势分离技术解决了远场辐射边界条件问题，其中规则波通过流函数理论解给定，不规则波通过数值解给定；建立了非线性波浪力的间接计算方法，可准确求解全非线性波浪与浮体相互作用问题；引入了弹簧近似法生成的动网格技术，解决了瞬时水面和物体湿表面的网格实时更新问题。该模型克服了传统数值水槽模型中侧壁反射和横向立波共振问题，通过外域阻尼层可以实现长时间模拟，有效准确模拟了波浪绕射、辐射和流固耦合作用。（1）对于波浪与固定问题的绕射作用以及波浪与浮体的相互作用问题，通过与实验结果进行对比，验证了模型的准确性，同时与频域二阶结果的对比表明了入射波波幅或频率越大，物体周围波浪爬高、波浪力及运动响应的非线性越强，与频域二阶结果的差别越大。（2）对于二维聚焦波作用下结构物的高频共振响应问题，重点研究了当聚焦波三倍谱峰频率等于物体横摇方向固有频率时，结构物的高频共振响应现象，研究表明高频共振发生在聚焦波波峰经过方箱后并持续数个周期, 随着入射波幅增大，与波幅三次方成比例的三阶横摇响应快速增大并成为整体响应的主要部分。（3）对于张力腿平台高频共振响应问题，重点研究了波浪的三倍频分量引起平台纵摇方向的高频共振响应现象，系统地分析了波幅和频率对平台纵摇运动响应及张力腿张力的影响，平台纵揺运动响应和张力腿张力三阶分量随着波幅的增大而显著增大；平台各方向运动响应对张力的影响根据相位差的不同而不同，因此在平台设计过程中，可通过调整运动的相位差或调整平台的固有频率来减小高频共振现象的产生。