随着能源需求的不断增加,恶劣海况下的深水油气资源开发已经成为目前能源开采利用的发展趋势。为满足深海开采的要求,众多新型深水海洋结构物,如立柱式平台（Spar platform,简称Spar）,张力腿平台（Tension Leg Platform,简称TLP）,浮式生产储卸装置（Floating Production Storage and Offloading,简称FPSO）等,随着油气资源开采深度的加深而相继涌现。处于作业海域的浮式海洋结构物,在波浪力的作用下,易产生较大的垂荡响应。浮式结构物的垂荡运动性能关系到钻井、采油等作业设备的选取,并影响立管、钻杆和系泊安全以及结构物的操作性能,对结构物的经济环保建造和安全高效运行至关重要。海洋浮式结构物的垂荡运动性能主要受两方面因素的影响:结构物垂荡运动自身的固有周期和垂荡运动过程中的水动力阻尼。结构物垂荡的固有周期不仅由结构物自身的质量分布决定,也受垂荡运动中的附加质量影响。结构物垂荡运动的水动力阻尼主要由波浪辐射阻尼和粘性阻尼组成。波浪辐射阻尼主要影响结构物的一阶运动,相对应的阻尼系数可以通过势流理论中的波浪辐射问题求解得到。结构物垂荡运动的粘性阻尼由摩擦阻尼和形状阻尼组成,其中摩擦阻尼是由结构近壁面的粘性剪切力引起,形状阻尼是由结构锐边处的流体分离和漩涡结构的脱落引起。传统的势流理论对结构物垂荡运动附加质量及波浪辐射阻尼的研究和预报己较成熟,但对粘性起主要作用的波浪粘性阻尼的研究,粘性对附加质量和辐射阻尼影响的研究,粘性作用下结构物周围流场变化和相应物理机理揭示的研究,以及粘性对结构物垂荡运动性能的研究尚有大量的工作需要进行。本论文在较为系统调研圆盘、立柱和底部附加圆盘结构的立柱垂荡（轴向）运动国内外研究现状的基础上,针对底部附加圆盘结构立柱轴向振动流场的物理模型及数值计算模型特点,选取了适合的数值模型（控制方程及边界条件）,采用高阶迎风格式对计算模型进行数值离散求解,利用多重网格技术加速迭代收敛过程,详细推导了结构物水动力系数的求解方法,结合数值求解得到的流场变化信息,较为充分地揭示了流场的变化机理,并以此为基础较系统地分析了所研究对象（底部附加圆盘结构立柱轴向振动）的水动力性能,主要的研究内容和结论如下:分析比较了船型FPSO与圆筒型FPSO的优缺点,针对圆筒型FPSO亟需解决垂荡运动幅值过大的技术难题,结合立柱结构底部附加圆盘结构对立柱垂荡运动阻尼的明显增强作用,集中研究粘性作用下舭部阻尼增强装置对圆筒型FPSO垂荡运动性能的改善作用。研究了附加圆盘结构几何尺寸,即,圆盘径比Dd/Dc和厚度比td/Dc对垂荡结构周围流场,附加质量Ca和阻尼系数Z的影响,并针对不同附加圆盘结构下平台的垂荡运动响应,给出工程上可行的改进方案。开发三维CFD程序,对底部附加圆盘结构立柱轴向振动流场进行了较为详尽的数值模拟研究。通过三维数值模拟结果与基于轴对称假定的二维数值模拟结果的比较,分析三维涡旋分量的强度大小进而揭示了流场的三维效应。流场的三维效应主要反应在三种涡脱模式的强度大小:ωx最强,ωy次之,ωz最弱。具体来讲,圆盘上下边缘周围ωx的影响区域要比ω2D大;沿立柱径向的涡旋分量ωy要小于沿立柱周向的涡旋分量ωx,即圆盘边缘附近,流体的周向速度变化要大于径向速度变化;三维涡旋在水平面上的投影ωz的作用几乎可以忽略,尽管水平面流体的对流作用确实影响了涡旋的变化和水动力系数的数值。系统分析了附加圆盘结构几何参数Dd/Dc、td/Dc等,对流场水动力表现尤其是三维效应的参数依赖作用。揭示出三维计算结果的水动力系数Ca3D和Z3D相对二维简化计算结果Ca2D和Z2D的两种增长模型:线性增长模式和（伪）定常增长模型,并以特定的KC数,即转捩点作为分界点。利用开发的CFD程序对均匀及振荡来流作用下底部附加圆盘结构立柱轴向振动的流场变化和水动力系数分布进行了数值模拟研究。揭示了流场变化及涡旋脱落过程中结构向周围流场的能量传递的物理机理,在此基础上对立柱的水动力系数Ca和Z的分布进行了细致的揭示解释,并重点研究了结构几何参数Dd/Dc对Ca和Z分布规律的影响。在所研究的参数范围（KC=0.1～1.0,β=89236）内,均匀来流加速了圆盘边缘处脱落的涡旋结构的脱落频率,为单纯垂荡运动时的2倍。结构向周围流场的能量发放速度加强,对Ca和Z起到了增强作用。均匀来流的增强作用使得Ca在KC区间内趋于平缓,而Z表现为依Vr而变化的绝对增加。在均匀来流作用下,当圆盘径比Dd/Dc=2.00时,系统的形状阻尼率Z1和总阻尼率的来流定常修正量Z00表现出与Dd/Dc为1.25、1.50和1.75时不同的异常波动,初步解释为来流作用下系统周围涡旋脱落频率与系统自振频率共振作用的结果。研究中同时发现均匀来流作用下,系统总阻尼率定常修正量Z00的比例系数k00对折合速度Vr和圆盘径比Dd/Dc的依赖性,并非前人在单一实验模型中所认为的仅由Vr决定。较为系统地分析了振荡流作用下底部附加圆盘结构轴向振动流场的特点,在对其流场物理机理进行揭示的基础上,分析了振荡流对底部附加圆盘结构轴向振动水动力系数Ca和Z的影响,并结合流场机理细致分析了振荡流对系统形状阻尼系数及系统总阻尼定常修正量的作用效果。利用Fourier积分方法,结合Morison公式和垂荡阻尼的线性化公式,详细推导了振荡流作用下系统垂荡运动的附加质量系数Ca,osci.,阻尼系数Cd,osci.,线性阻尼系数Bosci.和线性阻尼率Zosci.的求解公式。在上述理论公式推导过程中,为保证积分的可行性,假定振荡流频率ω′与垂荡频率成倍数关系ω=nω′。受限于计算资源,未能对n>2的情况进行详细的数值模拟研究,但本论文提供的研究方法为后续的系统研究提供思路和方法。