深海超大型浮式海上基地概念及总体性能研究

论文摘要

南海深水海域蕴藏着丰富的油气资源，是未来我国海洋油气开发的主要区域。但南海海域广阔，远离大陆，气候恶劣，这使得南海油气开发的后勤补给和安全得不到保障。在回顾超大型浮式结构物（VLFS）概念与研究历程的基础上，针对南海深水油气开发的需求，深海超大型浮式海上基地（VLFOB）应该由具有储备物资、庇护船舶、安置人员等功能的多个模块连接在一起组成的能适应恶劣海况的定点式超大型浮式结构物。通过对两种设计方案的比较，最终选取了方案二提出的具有国际首创性的人工港湾型式：VLFOB由8个弧形SPAR单体连接组成的外径达400m的环形结构，每个单体主要由上、下箱体，4个立柱和消浪室组成；采用48根链-缆-链系泊缆组成的张紧式系泊系统将该VLFOB定位于2000m深海域的海底；该VLFOB将具有物资储存和中转的功能，在恶劣海况下是工作人员和工程船的避风港。为了研究该新型海洋结构物的总体性能，本文主要还完成了以下几个方面的工作：1.根据对VLFOB进行混合模型试验研究的需要，本文提出一种多属性截断系泊系统的设计方法。考虑800m的试验模拟实际水深，设计了由两种不同属性系泊缆组成的水深截断系泊系统。2.提出不同开孔率组合的开孔型消浪墙方案，开展消浪墙性能系列模型试验，综合考虑消浪墙的消波性能及其对VLFOB运动响应、系泊载荷、固定连接载荷的影响等因素，选取适合的消浪墙组合型式，并研究了消浪墙的阻尼性能等。3.通过数值模拟和模型试验相结合方法对VLFOB的频域特性进行了预报，研究了水深对VLFOB的附加质量、阻尼系数、波浪力及运动RAO的影响。4.编制模型试验方案，开发VLFOB模型制作、模拟和组装技术，考虑一年一遇、百年一遇、千年一遇等海洋环境，通过深水池截断水深模型试验，对VLFOB的运动性能、系泊载荷、固定连接载荷、进船通道宽度变化、进船通道连接力、工程船靠泊的动力性能等总体性能进行了系统的研究分析。5.对VLFOB的运动性能进行了时域数值模拟，并与模型试验结果进行了对比分析。VLFOB方案属于国际首创，世界上没有设计和应用的先例，因此无论概念设计、总体性能、水池试验、数值预报，各方面都存在许多前所未遇的问题需要研究和突破。总体而言，VLFOB是能适应南海的恶劣环境的，但新兴事物难免有些不足之处，本文也在一些关键技术上提出了进一步研究和完善的建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 VLFS 的经典概念和研究历程
• 1.3 VLFS 动力特性的研究进展
• 1.3.1 基于水弹性理论的分析方法
• 1.3.2 忽略水弹性的分析方法
• 1.3.3 孤立波作用下的动力响应分析方法
• 1.3.4 多浮体系统的分析方法
• 1.4 主要研究内容与创新点
• 第二章 深海超大型浮式海上基地的概念及方案研究
• 2.1 深海超大型浮式海上基地的概念研究
• 2.2 深海超大型浮式海上基地的方案研究
• 2.2.1 方案一
• 2.2.2 方案二
• 2.2.3 两个方案的对比和抉择
• 2.3 本章小结
• 第三章 数值模拟理论基础
• 3.1 三维势流理论
• 3.1.1 坐标系
• 3.1.2 结构物的六自由度运动
• 3.1.3 速度势问题的数学模型
• 3.1.4 入射势问题
• 3.1.5 绕射势问题
• 3.1.6 辐射势问题
• 3.2 频域计算
• 3.2.1 频域运动方程
• 3.2.2 频域水动力参数
• 3.3 时域耦合分析
• 3.3.1 时域、频域分析的转换
• 3.3.2 时域下运动方程的求解
• 3.3.3 风载荷
• 3.3.4 流载荷
• 3.3.5 波浪力
• 3.3.6 耦合分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 多属性水深截断系泊系统的设计
• 4.1 水深截断系泊系统的设计原则
• 4.2 VLFOB 的水深截断系泊系统设计
• 4.2.1 设计的复杂性
• 4.2.2 设计方法
• 4.2.3 设计结果及试验验证
• 4.3 本章小结
• 第五章 VLFOB 的消浪墙设计与性能试验研究
• 5.1 消浪墙的设计
• 5.2 消浪墙性能试验
• 5.2.1 试验目的
• 5.2.2 试验方案
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 静水衰减试验结果
• 5.3.2 内外波浪及消波效率
• 5.3.3 运动响应、系泊载荷及连接器载荷
• 5.3.4 结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 VLFOB 的频域特性研究
• 6.1 研究方法
• 6.1.1 难点
• 6.1.2 数值模拟方案
• 6.1.3 试验方案
• 6.2 运动 RAO 的数值计算结果与试验验证
• 6.2.1 SPAR 单体 RAO
• 6.2.2 VLFOB 的 RAO
• 6.3 VLFOB 的频域动力特性
• 6.3.1 附加质量和阻尼系数
• 6.3.2 波浪力的传递函数
• 6.3.3 运动的 RAO
• 6.4 本章小结
• 第七章 VLFOB 水池模型试验方案及运动性能研究
• 7.1 水池模型试验方案
• 7.1.1 风流载荷试验
• 7.1.2 海洋环境条件
• 7.1.3 模型布置
• 7.1.4 波浪试验工况
• 7.1.5 测试内容
• 7.2 VLFOB 的运动性能
• 7.2.1 作业及生存工况
• 7.2.2 进船工况
• 7.2.3 内部靠泊时工程船的运动性能
• 7.3 典型工况的时域数值模拟
• 7.4 本章小结
• 第八章 VLFOB 的系泊载荷及连接载荷研究
• 8.1 VLFOB 的系泊载荷
• 8.2 单体间固定连接载荷
• 8.3 进船通道的连接载荷
• 8.4 工程船的系泊力和护舷撞击力
• 8.5 本章小结
• 第九章 总结与展望
• 9.1 主要研究工作总结
• 9.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表的论文
• 攻读硕士学位期间申请的专利及登记的软件著作权