大型海洋浮式结构在两层流中的漫漂运动研究

The large-scale floating structures moored in deep sea will behave large amplitude low frequency drift motion under the low frequency wave load. The prediction of the complex phenomenon is significant for the safety of the ocean structures. Because of the nonuniform of the temperature and the salinity, density stratifications is a common occurrence in the ocean. Internal wave will be generated due to the density difference. The wave frequency is very low so only the low frequency drift motion of floating structure can generate internal waves. As the generation of internal waves, the nonlinear low frequency wave load and motion damping will be changed dramatically. All the present analysis of the low frequency drift motion of mooring structures don't account for the effects of density stratifications. So the prediction of drift motion is inaccurate. The present study intends to establish a second order time-domain method to study large amplitude low frequency drift motion problem of mooring floating structures in two-layer fluid. The first and second order boundary value problem will be established on the free and internal surface, respectively. Rankine source is used to establish boundary integral equation, and higher-order boundary element method is adopted to solve it. By the use of drift damping of two-layer fluid, the drift motion equation of moored floating structures can be established in time-domain method. Finally, laboratory and numerical experiment will be carried out to study the influence of low frequency wave load and drift damping on each parameter. The change rules of oscillation and amplitude of low frequency drift motion will be concluded.

深海系泊浮式结构在波浪作用下会发生与水平自振周期相耦合的大幅低频慢漂运动，这一复杂物理现象的准确预报对海洋工程结构安全服役具有重要意义。由于温度和盐度分布不均海洋中密度沿水深会出现分层现象，在海洋内部产生内波。内波的频率很低，结构发生大幅低频慢漂运动时将激发出内波，对结构上的非线性低频波浪力和运动阻尼产生显著影响。但目前计算系泊浮式结构的低频慢漂运动时都没有考虑这一影响，因此慢漂运动的预报是不准确的。本研究将建立两层流中波浪与浮式结构作用的二阶时域分析方法。在上下层流域内分别建立一阶和二阶边值问题，利用Rankine源建立边界积分方程采用高阶边界元法求解。通过引入两层流中的慢漂阻尼，建立两层流系泊浮式结构低频慢漂运动响应的时域求解模型。通过开展物理模型试验和数值研究，分析各影响参数对结构非线性低频波浪力和漂移阻尼的影响机理，明确大幅慢漂运动振动频率和幅值的变化规律

深海系泊浮式结构在波浪作用下会发生与水平自振周期相耦合的大幅低频慢漂运动，并在海洋内部激发内波，同时改变慢漂运动特性。本研究建立了两层流中波浪与浮式结构作用的大幅慢漂运动分析方法和两层流中浮式结构内波兴波数值模型，开展了大型分层流水槽中三维箱型结构的拖航阻力物理模型试验，重点分析了浮式结构运动激发内波以及内波兴波阻力特性。.首先开展了二维箱型浮式结构在两层流中内波模态和表面波模态辐射能量的转换机制。结果表明只有在极低频条件下辐射能量才转化为内波模态，在波频条件下都转化为表面波模态。大幅慢漂运动属于二阶非线性问题，慢漂运动频率远低于波频运动，因此将两种运动分解，结合之前的研究结论，在二阶低频慢漂运动方程中计入内界面兴波阻力。为了合理给出结构受到的二阶低频波浪力，采用单层流的研究方法引入两层流慢漂阻尼项并利用拖航阻力研究计算。.通过物理模型试验和数值模拟的手段主要研究了箱型结构两层流中拖航过程激发内波的物理现象和兴波阻力特性。箱型结构在两层流中的拖航总阻力随拖航速度的增加近似线性增加并逐渐接近单层流拖航阻力，不同于细长体出现较大的局部峰值，说明箱型结构不会出现明显的‘dead-water’现象。当内弗洛德数较小或者较大时无因次内界面兴波阻力系数都趋于零，峰值出现在内弗洛德数0.7附近，显著小于已有细长体研究结论。说明结构形状是影响内界面兴波阻力曲线性质的关键因素，本项目针对的海洋平台箱型结构，兴起的内波趋于平缓，导致了兴波阻力特性的不同。利用以上阻力结果分析两层流中大幅慢漂运动，由于慢漂速度变化较大，仅在慢漂速度落入内界面兴波阻力较大的区域时才对慢漂运动幅值有一定的影响，并且由于相位的原因在各别情况还可能使慢漂运动略有增大。虽然目前的研究结果表明内界面兴波对系泊浮式结构的慢漂运动影响不够显著，但其科学意义在于明确了结构内界面兴波的特性和阻力机制，并且会对海洋平台结构的拖航航行以及海面浮冰漂移这类大型结构的持续缓慢运动产生直接的显著影响。