聚焦波、水流作用系泊平台大振幅运动响应时域研究

Real time simulations of the motion responses of the focused wave interaction with moored platform in current are investigated using fully nonlinear wave theory in this project. Embodied by a linear superposition of finite cosine waves, the method can efficiently simulate focused wave by adjusting the initial phase of cosine wave and adding corrected wave. The 4th runge-kutta method and Eulerian-Lagrangian method are used to update the free surface at each time step. An artificial damping layer is adopted at the outer zone of the free surface mesh to dissipate scattering waves. For the mooring lines of the structures,we use the finite element method to simulate the distortion and tension of the mooring system. In this project, program on the focused wave interaction with a mooring platforms in current will be developed. The results of the distortion and tension of the mooring system and motion responses of the moored platform are given in the form of time history. The study will reveal some physical phenomenons of strongly nonlinear wave interaction with structures in current and the differences of fully nonlinear results with that of linear and second-order nonlinear method. Take a cell spar for example, the numerical results of motion responses of the moored platform in hundred-year storm will be contrasted with the experimental results to validate the accuracy of the program. Final destination is to provide services to the ocean engineering.

本项目将应用完全非线性水波理论，实时模拟聚焦波浪、水流作用下深海系泊平台的运动响应过程。采用有限个余弦波叠加，通过调整余弦波初相位和增加修正波来模拟极限聚焦波浪。每个时间步内，利用四阶Runge-kutta法和半混合欧拉-拉格朗日法对瞬时水面进行更新，采用人工阻尼层进行消波。对于结构的系泊系统，采用有限元法模拟缆绳的变形和张力。本项目拟开发聚焦波、水流与系泊平台耦合作用的完全非线性时域程序，给出系泊系统的变形和张力以及平台的运动响应时间历程，揭示非线性很强的波浪与水流以及结构物耦合作用的一些物理现象，及与线性和二阶非线性计算结果对比的差异。以Cell Spar平台为例，将百年不遇风暴条件下系泊平台运动响应数值模拟结果与以往的实验结果进行对比，来验证模型的准确性，最终为海洋工程实践服务。

本项目针对聚焦波与系泊系统耦合作用下海洋平台水动力特性进行了数值模拟和理论研究，分析了缆索在波浪作用下张力变化情况，建立了聚焦波与海洋平台耦合作用时域模型，并将模型延伸到聚焦波、水流与波浪耦合作用时域模拟，为非线性波浪作用下海洋平台水动力特性研究提供了理论指导。主要研究进展及成果如下：.1. 针对聚焦波与系泊系统耦合作用下海洋平台水动力特性进行了研究，建立了非线性有限元模型，模拟了系泊缆索的各种受力及缆索的弹性变形，分析了波浪载荷作用下系泊缆索的张力变化，在每个时间步耦合浮体运动与缆索作用，发现当聚焦点在迎浪侧时，缆绳力聚焦峰值随着初相位的增加而减小，随着谱宽的增加而减小，而随着谱峰周期的增加而增加。.2. 建立了聚焦波与Spar平台耦合作用时域模型，运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势。以Longuet Hinggins模型为基础，调整组成波的初相位，在很短的波列中得到满足畸形波定义的波形。分析了聚焦位置、初始相位、谱峰周期、谱宽以及水流参数等对系泊JIP Spar平台缆绳力和波浪荷载的影响。当聚焦点在迎浪侧时，波浪荷载聚焦峰值随着初相位的增加而减小，随着谱宽的增加而减小，而随着谱峰周期的增加而增加。.3. 将如上建立的数值模型延伸到聚焦波、流与系泊平台耦合作用时域模拟，发现水流参数对缆绳力和波浪力的峰值影响较大，对于迎浪侧点的缆绳力和x方向波浪力都是聚焦峰值波流反向时最大。以商业软件ANSYS中的FLUENT为平台，分析了波浪和不同流速联合作用，发现水流对波浪传播具有推动作用，波流同向时使波形变长，波幅减小。.4.对于完全非线性自由水面边界条件，采用半混合欧拉拉格朗日方法更新自由水面，构建了时域完全非线性程序。.本项目以发表学术论文和发表专利为主要成果提交方式，共发表学术论文10篇，其中核心期刊7篇，国际会议论文2篇，国内会议1篇。其中，项目负责人作为第一作者发表学术论文5篇。积极开展学术交流与合作，参加国际会议2次，国内会议2次，参与发表专利3个。