计及近场干涉效应的半潜式海洋平台气隙分布与砰击机理研究

Semi-submersible platforms are widely used in exploration and development of marine resources. As the key safety indicator, air-gap performance is getting increasing attention in the design of offshore platforms. Researches for air-gap distribution and mechanism of slamming are very important to improve the performance and safety of them. In this project, study on motion responses of semi-submersible platform is carried out based on viscous flow theory, nonlinear coupling numerical solution model of platform and mooring system in waves is constructed, providing real-time numerical prediction of platforms' motions and wavefront transformation under mooring mode. The internal mechanism of near-field interference between columns is found through the study on distribution characters of wave field around platforms, principles of wave run-up along the columns and superposition characteristics of wave interference. Based on real-time conversion of information from corresponding observation points on lower deck and wavefront, constructing quantitative analysis model of air-gap and slamming loads, exploring the effects on air-gap distribution and slamming pressure of semi-submersible platform, which from wave period, wave steepness, natural frequency of the platform, wave run-up and near-field interference, etc. Moreover, tank model experiment will be performed. The computing method which conducts accurate prediction of transient air-gap distribution and slamming loads of semi-submersible platforms is given at last. The results of this project will provide reliable design basis and research methods for general design and operation safety of semi-submersible platforms.

半潜式海洋平台在海洋资源勘探与开发领域得到广泛应用，气隙性能作为平台设计的关键安全性指标受到了越来越多的关注，研究平台的气隙分布与砰击机理对于提升其设计性能及安全具有十分重要的意义。本项目基于粘流理论开展半潜式平台的运动响应研究，构建波浪条件下平台与系泊系统的非线性耦合数值求解模型，实现系泊模式下平台运动及波面变化的实时数值预报；通过研究平台附近波动场的分布特征、波浪沿立柱的爬升规律及波面干扰的叠加特性，探明平台立柱间近场干涉效应的内在机理；基于平台下甲板与波面对应观测点信息的实时换算，建立平台气隙与砰击载荷的定量计算分析模型，探讨波浪周期、波陡、平台固有频率、波浪爬升及近场干涉等对平台气隙分布及砰击压强的影响规律；同时开展水池模型试验研究，最终给出可准确预报系泊模式下半潜式平台瞬态气隙分布与砰击载荷的计算方法。本项目的研究成果将为半潜式平台总体设计和作业安全提供可靠的设计依据及研究手段。

半潜式平台作为一种典型的深海平台，具有抗风能力较强、工作水深大等优点，由于平台的工作环境恶劣，立柱及下甲板经常遭受到波浪砰击，严重影响了平台的结构安全和作业效率。因此，开展计及近场干涉效应的半潜式海洋平台气隙分布及砰击机理研究对于平台设计与安全具有十分重要的意义。.本项目利用数值计算和模型试验方法，开展了半潜式海洋平台在波浪中的载荷及运动响应特性研究，建立了波浪/平台/系泊系统耦合响应的非线性分析模型，构建出平台瞬态气隙分布定量分析模型和砰击载荷计算方法，同时开展了模型试验研究。主要研究工作如下：.基于势流理论对半潜式平台水动力性能及运动响应进行了数值模拟，通过添加粘性阻尼，完成了深水状态下半潜式平台的水动力性能频域分析，研究了极限海况下平台的六自由度运动响应及系泊缆张力。.基于粘流理论开展了半潜式平台不同计算工况的数值计算，结合自编程后处理软件给出了半潜式平台沿立柱的波浪爬升，讨论了波陡参数、散射参数对立柱波浪爬升的影响；对比分析了不同立柱形状和前后立柱间距对波浪爬升变化的影响，并讨论了前立柱对后立柱产生的遮蔽效应。.基于粘流理论开展了平台近场干涉效应的数值模拟，通过布置在平台下甲板底面及四立柱表面的波高监测点，获得了平台四立柱间近场干涉效应影响下的波形分布情况，探究了浪向角及波浪周期对平台四立柱间波形分布的影响。.基于粘流与势流软件，通过自编程序分别对半潜式平台的气隙进行了统计分析，结果表明：平台出现负气隙的区域主要发生在平台下甲板边缘处，且基于粘流软件的计算结果普遍大于势流理论。.基于入水砰击理论建立了平台下甲板及立柱入水砰击载荷计算模型，建立了平台立柱及甲板的砰击载荷系数库，运用自编程软件对平台负气隙值进行后处理，得到了负气隙位置处水质点发生砰击时的速度、相对甲板角度、砰击次数等，提出了半潜式平台砰击载荷的计算方法。.项目研究成果对于指导半潜式海洋平台设计提供了可靠的分析方法。