深吃水半潜式平台涡激运动激励机理与响应特性研究

Deepwater offshore structures such as the semisubmersible platforms are the hot topics in the research and development fields of ocean engineering allover the world. As one of the trends in the design of the semisubmersible platform, the deep draft concept can be helpful to improve the vertical motion performance. However, the phenomenon of vortex induced motions (VIM) occurs in the deep draft semisubmersible platform, which will be investigated in the present project. The research consists of the following issues: the flow pattern, vortex shedding characteristics and induced loads of the cross ?ow around the multiple column structure; the excitation loads and mechanism of VIM; the characteristics of the VIM response and its parameter sensitivies. Through theoretical analysis, numerical simulation and meticulous flow experiment, it will be revealed for the time and space varying of the three dimensional flow pattern, the vortex shedding and interaction in the cross flow around the structure with multiple columns and pontoons. The excitation mechanism of VIM will be revealed for the moored deep draft semisubmersible platform. The mathematical physics model, the simplified analytical method, the meticulous numerical and expermental methods will be established to predict and understand the VIM response characteristics, lock-in phenomenon, key factors and parameter dependent effects. The present research will be helpful for not only the fluid-sturcture coupling theory of the large volume structures, but also the design of the deep draft semisubmersible platforms.

半潜式平台等深海工程技术装备是国内外海洋工程领域的前沿研究热点。采用深吃水设计，改善垂向运动性能，是当今半潜式平台的发展趋势，然而，深吃水结构也产生不利的涡激运动问题。本项目以深吃水半潜式平台为研究对象，开展多立柱绕流问题的流场形态、涡泄特性与诱导载荷研究，涡激运动的激励载荷与激励机理研究，涡激运动响应特性与参数敏感性研究。通过理论探索、数值模拟、精细流场模型实验，揭示多立柱、多浮箱结构在来流作用下的三维流场形态、漩涡脱落与相互扰动等的时空变化特性，明晰系泊深吃水半潜式平台涡激运动响应的激励机理，建立数学物理模型、简化理论分析方法、精细数值模拟和模型实验方法，深入认知和掌握多立柱平台涡激运动的响应特性、锁定特征、关键因素、参数影响规律。研究成果既可丰富大型海洋结构物流固耦合问题的理论内涵，也可指导实际深吃水半潜式平台的研发设计，具有重要的学术价值和应用前景。

半潜式平台等深海工程装备是国内外海洋工程领域的前沿研究热点。采用深吃水设计，改善垂向运动性能，是当今半潜式平台的发展趋势，然而，深吃水结构也产生不利的涡激运动（VIM）问题，影响平台安全生产及系泊和立管系统的疲劳寿命。本项目以深吃水半潜式平台（DDS）为研究对象，开展多立柱绕流问题的流场形态、涡泄特性与诱导载荷研究，涡激运动的激励载荷与激励机理研究，涡激运动响应特性与参数敏感性研究。取得重要结果如下：(1)建立基于大涡模拟（LES）的多立柱绕流问题数值模拟方法，基于分离涡模拟（DES）的平台涡激运动数值模拟方法，通过模型实验验证；开发形成采用空气轴承系统的平台涡激运动静水拖曳实验技术，可以准确模拟系泊和立管垂向预紧力，实现给定质量比平台模型水平面内自由运动。(2)通过对比研究四浮箱半潜式平台、两浮箱半潜式平台和无浮箱四立柱结构的绕流场及涡激运动响应，系统揭示了浮箱的存在对涡激运动影响的物理规律、流场结构和力学机理。(3)系统研究系列立柱和浮箱倒角率、系列吃水条件下的半潜式平台涡激运动响应，归纳获得不同流向角和折合速度时的涡激运动特性和锁定特征，不同截面形状和立柱吃水比参数的影响规律，发现立柱吃水比对不同截面形状平台的影响规律存在显著差异，倒角立柱平台在较小吃水比时也会产生明显的涡激运动响应。(4)提出一种倒角五边形立柱的新型半潜式平台概念，三维VIM数值模拟表明其具有更优良的涡激运动性能，横向运动幅值比原型半潜式平台显著减小近一半。(5)对矩形截面立柱DDS，以正弦振荡流模拟规则波，考虑不同KC数和相对流数下波浪与同向均匀流耦合作用，数值研究表明振荡流耦合作用影响显著。在国内外学术刊物上发表标注基金资助的研究论文21篇，其中SCI收录11篇，EI收录21篇。培养博士生3名，硕士生3名。研究成果既可丰富大型海洋结构物流固耦合问题的理论内涵，也可指导实际深吃水半潜式平台的研发设计，具有重要的学术价值和应用前景。