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1、 分类号： 密级： ： 编号： 专业硕士学位论文 （工程硕士） 半潜式平台气隙响应的数值与实验研究 硕 士 研 究 生硕 士 研 究 生 ：沈鹏飞 指 导 教 师指 导 教 师 ：闫发锁 讲师 学 位 级 别学 位 级 别 ：工程硕士 工 程 领 域工 程 领 域 ：船舶与海洋工程 所 在 单 位所 在 单 位 ：船舶工程学院 论文提交日期论文提交日期 ：2013 年 5 月 9 日 论文答辩日期论文答辩日期 ：2013 年 6 月 13 日 学位授予单位学位授予单位 ：哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Profes
2、sional Degree of Master （Master of Engineering） Numerical and Experimental Investigation on Airgap of a Semi-submersible Platform Candidate: Shen Pengfei Supervisor: Lecture Yan Fasuo Academic Degree Applied for: Master of Engineering Engineering Field: Naval Architecture and Ocean Engineering Date
3、of Submission: May.9，2013 Date of Oral Examination: Jun.13，2013 University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日期：
4、年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。学位论文待解密后适用本声明。 本论文（在授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字
5、） ： 导师（签字） ： 日期： 年 月 日 年 月 日 半潜式平台气隙响应的数值与实验研究 摘 要 半潜式平台甲板面积较大，稳性好，并且能承受较大可变载荷，又因其投资小，作业安全度高等优点普遍受到关注，其在深海工程领域得到广泛应用。日前，半潜式平台的气隙问题受到人们日益关注。 在对工作于极限海况下的半潜式平台进行设计时，静水气隙值是一个相当重要的考虑因素。一方面，要确保甲板与波浪之间有足够的距离以避免波浪抨击平台甲板底部造成破坏；另一方面，增加静水气隙值将花费巨大，因为静水气隙值会造成整个浮式系统重心和吃水的改变。 气隙是指平台工作期间甲板下表面和波浪表面之间的垂直距离，通常认为其是以下三项
6、的线性组合：静水气隙值，平台上某特定位置测点处浪高仪所测波高值，平台相关垂向运动。 由入射波以及因平台存在而产生的绕射/辐射效应可以得到波浪峰值高度。 本文将线性势流数值模拟的方法与模型试验相结合，以一座深水半潜式平台为背景做分析，分析包括以下几个方面： 1.基于势流理论， 利用 ANSYS/AQWA 软件对半潜式平台进行一阶绕射/辐射分析。首先，调用 AQWA-LINE 模块进行频域分析可以获得半潜式平台运动响应 RAOs 以及其他水动力参数。其中，数值模拟的 RAOs 与模型试验所得的结果吻合一致。其次，调用 AQWA-DRIFT 模块来完成三种极限海况下半潜式平台气隙响应的时域分析，数值
7、模拟与模型试验的对比结果表明： （1）在极限海况条件下，一阶数值模拟的结果低估了气隙极值的危险，这种低估随着波陡的增加而更加明显。但是，该方法能够预测出平台甲板上气隙点危险区域所在，并在模型试验中确定浪高仪的位置。 （2）基于一阶线性方法预报气隙极值时，平台立柱周围的波浪爬升非线性问题不可避免。 2.通过对气隙时历的傅里叶变换可以得到气隙能量谱密度（PSD） ，其较好的反映了气隙能量的频域分布。 对一些测点的分析表明， 气隙的能量分布不仅与入射波有关，还与平台的高阶运动响应有密切联系。气隙概率分布可通过对模型实验随机波数据统计分析获得，各气隙点概率分布表明高斯模型适合拟合文中半潜式平台的气隙分
8、布，但在某些关键气隙值区域仍存在一定程度上的低估现象。此外文中的概率分布模型对合理静水气隙值可提供一定参考意义。 3.为比较不同立柱形状的气隙响应，文中分别分析了三种不同型式立柱（圆形截面，方形截面，带圆角截面）的平台，此外三种不同浮筒连接方式的平台也进行了气哈尔滨工程大学硕士学位论文 隙响应的对比。对比结果表明：圆形截面的立柱气隙响应优于方形和圆角截面，并且在越靠近立柱附近的测点优势越明显。浮筒间横撑连接方式的平台气隙表现比翼型板以及环形浮体的结构形式都要好。 关键词：半潜式平台；气隙；模型试验；立柱形状；概率分布 半潜式平台气隙响应的数值与实验研究 Abstract Semi-submer
9、sible platform has a widespread use in offshore industrial field with the advantages of large deck area, good stability, high variable load capability and environment adaption. In the design of semi platforms for harsh environment, requirement to calm water deck clearance is an important considerati
10、on. Sufficient deck clearance must be ensured to avoid damage in deck due to waves hitting from below. On the other hand, the cost to increase the clearance is considerable expensive because this bring the changes of center of gravity and draft of whole floating system. The airgap is defined as the
11、clearance between a platform deck and the wave crests. It can be considered a linear combination of three terms: the still-water airgap distance, the wave surface elevation at a particular location along the structure measured with respect to a fixed observer, and the corresponding vertical motion o
12、f the platform. The heights of the wave crests are given from the incident waves with the addition of diffraction-radiation effects due to the presence of the platform. In this dissertation, airgap analysis of a Semi-submersible platform is performed by linear potential fluid numerical simulation an
13、d model test. The analysis includes the following several aspects: 1. ANSYS/AQWA is used to do the first-order Radiation,41, （3-12） 式中： 表示辐射体强度； S表示入水结构面； ( , , )x y z为流域中域点的坐标； , , S是 上源点坐标； G 为格林函数， 是求解拉普拉斯方程的基础， 要求 G 满足除物面条件的所有边界条件。G 的表达式为： drJdzddvdevpvRRzyxGd00coshcoshcoshsinh211,;, 220222coshc
14、oshkvik zdkd Jkrkvdv（3-13） 式中： kdkgvtanh2；22yxr； 222zyxR； 2222dzyxR； pv表示积分主值;0J表示贝塞尔函数的第一项. 假设每个板格结构的源强度(source strength)为常数，通过物面边界条件求解下的积分方程计算每个板格中心源点的源强度： 0,;, 41,21,dsnzyxGzyxnzyxs（3-14） 第 3 章 气隙的理论基础与数值预报 29 （9）压力和一阶波浪力的计算： 计算了板格点源强度和势能后，从线性化的伯努利方程中可以计算每个板格的水动力压力： tp(3-15) 平台在流场中的压力可以根据伯努利方程获得：
15、 , ,p x y zght （3-16） 将平台在整个湿表面上进行积分，则可以求得流体作用在平台上的波浪激励力： .jjidj SfPn dSin dS （3-17） 式中，ifi表示 方向上的波浪激励力；in表示面源的法向量；S为平台的湿表面积。 在有波浪激励力作用于平台的同时，平台自身也会引起周围流体变化产生辐射势R,进而产生平台对流体的反作用力也即辐射力： jijijfxx （3-18） 在上式中，ij和ij分别为平台的附加质量和辐射阻尼。 最后通过对波浪激励力和辐射力的线性叠加，就可以得到入射波频率为时平台在规则波下的一阶波浪力为： ijFff(3-19) 3.3.2 二阶平均漂移力 浮体在波浪中运动，除了会产生引起浮体大幅运动的一阶波浪力之外还会产生二阶波浪力31，二阶波浪力直接导致浮体大幅度慢漂运动，其相对于一阶波浪力虽然量级较小，但其作用不可忽略。平
