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浮式平台(如:Spar、Semi等)是深海石油开采的关键设备。如何定量地获得深水浮式平台在严酷海洋环境下的环境载荷和运动响应十分重要。本文通过理论分析与数值计算相结合的方法,研究平台与表面波和内波的相互作用,获得其水动力特性,为设计经济和安全的深水浮式平台提供科学依据。海洋环境和动力响应是海洋浮式平台设计中的两个重要因素,本文在这两个方面的创新工作如下:
⑴环境方面,通过对南海频发的内波现场观测资料和内波理论解的分析,得到了内波流场特性:在温跃层上下层内流场几乎均匀;上下层界面处存在强剪切;内孤立波依据上下层厚度比改变极性等。由于内波的周期长,它对于结构物的作用相当于一股强剪切流的作用,为内波与平台的相互作用奠定了基础。我们还计算了内波对番禺30-1导管架平台的载荷,比较了平台表面波和内波载荷的量级,进一步了解内波对平台安全造成威胁的原因,并提出相应的预防措施。
⑵深水浮式平台动力特性方面,以典型的Spar平台和第六代半潜式平台为例进行了分析,主要工作包括以下几个方面:①研究了平台的附加质量和辐射阻尼系数随波浪周期的变化规律,以及半潜式平台的结构特征参数(如:立柱和浮箱的几何尺寸)等对平台附加质量和阻尼系数的影响。②探讨了带有锚泊系统的Spar平台在波浪作用下流体载荷和结构响应,分析了影响平台波浪载荷和结构响应的一些关键因素。③研究了半潜式平台在内波流场中的内波载荷和运动响应,分析了水深、跃层位置、锚链刚度等因素的影响。④研究了带有浮箱和立柱群的半潜式平台在波浪作用下的垂荡响应问题。本文提出了一种估算浮箱与立柱群之间体积分布影响平台垂荡固有周期和运动响应的理论方法。结果表明,通过合理调整浮箱和立柱群之间的体积配置,可以使垂荡固有周期远离常见波浪能量范围,并可有效的减小响应幅度。理论公式与WAMIT结果相符合。体积配置法为实现深水平台选型和设计优化提供了理论基础。