月池流体-多层镂空抑波装置-钻井船耦合作用下的晃荡、砰击荷载特性及响应机制研究

The fluid motion in the moonpool is a complex fluid structure interaction phenomenon. The strong oscillation of the fluid will exacerbate the ship motion and the sailing resistance. Furthermore, the waves may wash out the pool, and there will be green water on the edge of the pool. The project leader proposes a patent about a multilayer hollow wave suppression device. The hollow structure of the wave suppression device can reduce the wave reflection, and the interlayer chamber makes the fluid’s flow path with many twists and turns. Then, the kinetic energy will be greatly dissipated. The coupling effect between the wave suppression device and the ship motion will exacerbate the randomness and irregularity of fluid's sloshing and slamming in the moon pool, resulting in the complicated and changeable fluid load. The purpose of this project is to explore the coupling effect between the wave suppression device and the ship motion for the complicated characteristics of fluid’s sloshing and slamming loads in the moonpool, as well as the coupling mechanism between the loads and the ship motion. Based on numerical wave tank, the effect mechanism of the wave suppression device for the fluid wave disturbance, energy conversion, vortex interference will be discovered. The volume of fluid method and multi-bodies coupling method will be used to study the fluid’s sloshing and slamming effects in the full wave period, and the fluid load’s quantitative expression in moonpool will be identified. The nonlinear-coupled dynamic equations and the parameter domain of motion system will be constructed. The motion response and joint probability density function will be solved out and the motion stability regularity will be mastered. The deepwater model test will be carried out to research the distribution characteristics and the judging criterion of maximum allowable threshold for the operation of the drilling ship.

月池内流体运动是非常复杂的流固耦合现象，流体的强烈震荡会增加船体运动幅度和航行阻力，波浪甚至可能冲溢出月池，发生上浪。项目负责人提出多层镂空抑波装置专利，透空结构可减少波浪剧烈反射；夹层腔室使流体流动路径迂回曲折，动能大幅耗散。抑波装置、船体运动的耦合作用加剧了月池流体晃荡、砰击现象的随机性和不规律性，进而导致流体荷载更为复杂和实时多变。本项目旨在探索抑波装置与船体运动耦合影响下月池流体晃荡、砰击荷载的复杂特性及该荷载对钻井船的耦合作用机制。依次开展以下研究：基于数值波浪水池，探索抑波装置对月池内流体波面扰动、能量转化、漩涡干扰效应的影响机理；采用VOF和分块耦合法研究全波浪周期内流体晃荡和砰击效应，构建流体荷载定量表达式；建立耦合动力学方程和运动系统参数域；求解运动响应及联合概率密度函数，掌握月池流体运动稳定性规律；结合深水模型试验，研究带月池钻井船最大允许工作阈值的分布特性和判定准则。

月池是一种被广泛安装在钻井船或钻井平台上的结构，其存在对海洋结构物水动力性能有明显影响，如造成月池附加阻力、恶化母体水动力性能等。目前，学术界和工程界大部分研究工作集中在月池性态特征上，对月池-钻井船耦合情况下月池内流体运动特性、钻井船运动响应等研究较少。本项目对钻井船月池附加阻力形成机理、月池内流体晃荡运动规律、砰击载荷特性、抑波装置以及月池-钻井船耦合运动响应机理进行了系统研究。主要研究内容如下：.研究了流激励下月池附加阻力形成机理及其参数敏感性。根据自由液面运动响应频谱图，揭示了月池附加阻力形成机理，对不同Froude数下月池附加阻力变化规律进行了研究，并在拖曳水池中进行了新型减阻装置试验测试。.基于传统线性势流理论对月池固有频率进行估算，采用分离变量法求解Helmholtz方程，通过特征向量求得月池底部封闭状态下Helmholtz模态。基于域分解法理论估算公式求解月池固有频率，分析了无平台月池和有平台月池时固有频率差异。.采用数值模拟法研究了波浪激励与波流联合激励下月池性态特征、砰击效应及月池内水体破碎、爬升、翻转等强非线性现象。开展了规则波作用下矩形和阶梯形月池内流体运动试验研究，设计并制作了多种结构形式的抑波装置并进行了对比研究。.采用模型试验法分析了不同波陡、不同航速月池-钻井船耦合情况下船体运动响应机理及月池内流体砰击载荷的时间演化和空间分布。通过改变月池固有频率，研究了月池共振对钻井船响应阈值的影响。.研究表明，附加兴波阻力与粘压阻力是月池附加阻力的主要组成部分，附加阻力对Froude数敏感性较高，低Froude数时，钻井船总阻力比不带月池时提高约25%，高Froude数时阻力提升达到50%。高航速时新型减阻装置减阻效果为13%~15%。Molin和Newman公式能较为准确的估算有平台月池的固有频率。晃荡模式下月池内砰击压力峰值位于静水面附近，范围约为月池吃水的15%，月池后壁的砰击压力极值远小于月池前壁。波流联合激励下，水线处砰击持续时间随着航速的增加而缩短。矩形月池抑波装置按照抑波效果由优到次为逆向导流板式、正向导流板式、格栅式、二分式；阶梯形月池抑波装置效果与波浪周期存在密切关系。