分层流体中浮式结构物水动力特性研究

论文摘要

随着油气资源的勘探开发转向海洋尤其是转向深海,传统的固定式平台已经不能满足相应的工程要求,取而代之的是浮式生产系统,包括FPSO、半潜式平台、张力腿式平台和Spar平台等。因此深入研究浮式结构物在各种海洋环境条件下的水动力性能问题就成为当今海洋工程界所面临的紧迫任务。在海水密度分布均匀的假定下,大尺度浮式结构物的水动力学已经有了比较成熟的线性和非线性理论,并已解决了许多海洋工程的实际问题。然而,在实际海洋中,由于太阳热辐射等因素,海水的密度通常具有层化效应。在这种密度分层海洋中,只要有扰动源就会在海洋内部产生内波,因此内波是海洋中普遍存在的一种动力学过程。几乎在世界各地海洋的陆架区及深海区都发现有海洋内波,所以,对密度层化海洋中浮式结构物水动力特性的研究,已经成为了学术界和工程界所关注的热点问题之一。本文研究密度分层流体中浮式结构物的水动力特性问题,阐述了本课题研究的背景和意义,概述了国内外学者在本领域的现状。在此基础上,开展了如下研究工作。在第二章中,研究了两层流体中水波与垂直圆柱浮体的相互作用问题,建立了数学物理模型,给出了多模态绕射和辐射势的级数表达式,提出了垂直圆柱浮体的表面波和内波模态水动作用力及附加质量与阻尼系数的计算方法,考察两层流体的密度比及厚度比等重要参数对垂直圆柱浮体水动力特性的影响规律及其机理。在第三章中,研究了两层流体中水波与水面漂浮矩形箱的相互作用问题,建立了表面波模态和内波模态入射波产生的反射和透射波的能量守恒关系,提出了水面漂浮矩形箱的表面波和内波模态水动作用力及附加质量与阻尼系数的计算方法,深入考察了两种模态平面前进波之间的能量转化规律,以及水面漂浮矩形箱水动力特性的变化规律。在第四章中,研究了具有线性密度跃层的三层流体中水波与垂直圆柱浮体的相互作用问题,通过直接引入扰动压力场的方法,导出了多模态平面前进波的色散关系,给出了多模态入射波的解析表达式,建立了直立圆柱浮体绕射与辐射问题的数学物理模型,提出了多模态绕射势及辐射势的计算方法,深入考察了线性密度跃层参数对垂直圆柱浮体的多模态水动作用力以及附加质量和阻尼系数影响规律及其机理。在第五章中,对全文工作进行了总结,并对今后的工作做了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 海洋内波概述
• 1.2.1 内波的概念和特性
• 1.2.2 海洋内波的生成
• 1.2.3 海洋内波的分布
• 1.3 深海平台简介
• 1.4 密度分层流体的水动力学研究现状
• 1.4.1 内波的理论研究进展
• 1.4.2 内波的实验研究
• 1.5 本文工作及主要创新点
• 1.5.1 本文工作
• 1.5.2 本文创新点
• 第二章 两层流体中水波与垂直圆柱浮体的相互作用
• 2.1 绕射问题的提法
• 2.2 绕射问题的求解
• 2.2.1 内外域匹配方法
• 2.2.2 问题的求解
• 2.3 绕射问题的数值结果及分析
• 2.3.1 内界面位置对垂直圆柱浮体水动作用力的影响
• 2.3.2 上下层密度比对垂直圆柱浮体水动作用力的影响
• 2.3.3 上下层深度比对垂直圆柱浮体水动作用力的影响
• 2.3.4 绕射问题中自由表面和内界面上的波形
• 2.4 辐射问题的提法
• 2.5 辐射问题的求解
• 2.5.1 垂荡运动
• 2.5.2 横荡运动
• 2.5.3 横摇运动
• 2.6 辐射问题的数值结果及分析
• 2.6.1 内界面位置对附加质量和阻尼系数的影响
• 2.6.2 上下层密度比对附加质量和阻尼系数的影响
• 2.6.3 上下层深度比对附加质量和阻尼系数的影响
• 2.6.4 辐射问题中自由表面和内界面上的波形
• 2.7 小结
• 第三章 两层流体中水波与浮式矩形箱的相互作用
• 3.1 绕射问题的提法
• 3.2 绕射问题的求解
• 3.2.1 流场中的速度势
• 3.2.2 问题的求解
• 3.2.3 反射与透射能量
• 3.3 绕射问题的数值结果及分析
• 3.3.1 内界面位置对矩形箱浮体水动作用力的影响
• 3.3.2 内界面位置对反射能量和投射能量的影响
• 3.3.3 上下层密度比对矩形箱浮体水动作用力的影响
• 3.3.4 上下层深度比对矩形箱浮体水动作用力的影响
• 3.4 辐射问题的提法
• 3.5 辐射问题的求解
• 3.5.1 垂荡运动
• 3.5.2 横荡运动
• 3.5.3 横摇运动
• 3.6 辐射问题的数值结果及分析
• 3.6.1 内界面位置对附加质量和阻尼系数的影响
• 3.6.2 上下层密度比对附加质量和阻尼系数的影响
• 3.6.3 上下层深度比对附加质量和阻尼系数的影响
• 3.7 小结
• 第四章 具有线性密度跃层的三层流体中水波与垂直圆柱浮体的相互作用
• 4.1 分层流体中压力与速度的关系
• 4.2 具有线性密度跃层流体中的入射波
• N 的情况'>4.2.1 ω> N 的情况
• 4.2.2 ω< N 的情况
• 4.3 绕射问题的提法
• 4.4 绕射问题的求解
• N 时的解'>4.4.1 当ω> N 时的解
• 4.4.2 当ω< N 时的解
• 4.5 绕射问题的数值结果及分析
• 4.5.1 跃层位置对垂直圆柱浮体水动作用力的影响
• 4.5.2 跃层厚度对垂直圆柱浮体水动作用力的影响
• 4.6 辐射问题的提法
• 4.6.1 垂荡运动的建模
• 4.6.2 横荡运动的建模
• 4.6.3 横摇运动的建模
• 4.6.4 辐射问题中的边界条件
• 4.7 辐射问题的求解
• N 时的辐射解'>4.7.1 当ω> N 时的辐射解
• N 时垂荡运动辐射的求解'>4.7.2 当ω> N 时垂荡运动辐射的求解
• N 时横荡运动辐射的求解'>4.7.3 当ω> N 时横荡运动辐射的求解
• N 时横摇运动辐射的求解'>4.7.4 当ω> N 时横摇运动辐射的求解
• 4.7.5 当ω< N 时的辐射解
• 4.7.6 当ω< N 时垂荡运动辐射的求解
• 4.7.7 当ω< N 时横荡运动辐射的求解
• 4.7.8 当ω< N 时横摇运动辐射的求解
• 4.8 辐射问题的数值结果及分析
• 4.8.1 跃层位置对垂直圆柱浮体附加质量和阻尼系数的影响
• 4.8.2 跃层厚度对垂直圆柱浮体附加质量和阻尼系数的影响
• 4.9 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位论文期间已发表或录用的论文
• 致谢