隨著國家南海資源的開發(fā),島礁的戰(zhàn)略地位日益凸顯。為了保障島礁建設(shè),在遠(yuǎn)離大陸的南海島礁附近布置一浮式保障平臺就成為了一個絕佳的選擇。研究近島礁波浪環(huán)境及浮式結(jié)構(gòu)物的水動力性能可以為淺水浮式平臺的設(shè)計和研究奠定基礎(chǔ),具有重要意義。本文應(yīng)用基于開源平臺OpenFOAM開發(fā)的船舶與海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,對近島礁環(huán)境下規(guī)則波演化特性以及一座帶系泊系統(tǒng)的浮式平臺在相應(yīng)波浪作用下的水動力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文首先對于浮式平臺自由衰減運(yùn)動的計算準(zhǔn)確性以及求解器造波模塊的計算準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在平臺自由衰減運(yùn)動的計算方面,網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證工作給出本文所研究問題的合理網(wǎng)格量,平臺自由衰減固有周期的計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比工作驗(yàn)證了本文所使用的求解器的準(zhǔn)確性;在造波模塊的驗(yàn)證方面,分別將各工況下波浪的時歷與理論波浪時歷進(jìn)行對比,驗(yàn)證了求解器造波模塊的準(zhǔn)確性。隨后本文針對近島礁浮式平臺在規(guī)則波中水動力特性以及斜底地形下規(guī)則波演化特性進(jìn)行了研究。在平臺水動力研究部分,首先對于平臺在不同頻率規(guī)則波中的響應(yīng)特性進(jìn)行研究,將計算的RAO(Response Amplitude Operator)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文的求解器及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,最后通過對RAO結(jié)果的分析,得到平臺對中高頻波浪響應(yīng)性能較優(yōu)的結(jié)論;在斜底地形下波浪演化特性分析部分,首先對于不同工況的規(guī)則波在近島礁地形下的演化特性進(jìn)行分析,隨后針對演化過程中波高和波浪頻率成分變化兩個方面展開研究。研究發(fā)現(xiàn),隨著波浪周期的增大,波浪演化過程中,波高會明顯增大,波浪的高階成分會越發(fā)明顯。此外,本文還針對不同地形對波浪演化的影響展開了討論,探究平底地形以及斜底地形下波浪的演化差異。從結(jié)果分析中可以發(fā)現(xiàn)在平底地形的波浪演化中,波浪的波高呈穩(wěn)定衰減趨勢,并未出現(xiàn)明顯的波高增大及非線性增強(qiáng)等演化特性,由此驗(yàn)證了在前文平臺水動力及斜底波浪演化的研究中得到的一系列強(qiáng)非線性現(xiàn)象和規(guī)律確是地形原因?qū)е�。最�?本文針對波浪翻卷的機(jī)理性問題展開更進(jìn)一步探究。本文建立了二維波浪水池,對于波浪在斜坡地形上的翻卷問題展開具體討論。研究發(fā)現(xiàn)隨著波陡增大,波浪臨界狀態(tài)下的水深指數(shù)、波高指數(shù)以及垂向不對稱性參數(shù)均明顯減小,而波浪的前緣不對稱性、后緣不對稱性以及橫向不對稱性參數(shù)對于波陡均不敏感。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U674.38
【部分圖文】：

1.1 研究背景與意義南海是我國最大的外海，調(diào)查表明，南海海域有 200 多個油氣構(gòu)造，其中的將近 90%有希望開發(fā)并利用。該區(qū)域石油天然氣總儲量約占全球儲量的 12%，因此被國內(nèi)外學(xué)者譽(yù)為“第二個波斯灣”。南海還有豐富的金屬礦產(chǎn)等資源，潮汐能、波浪能、溫差能、壓差能等可再生能源。此外，南海航線是我國運(yùn)輸戰(zhàn)略資源、維持對外貿(mào)易的咽喉，也是一帶一路中“海上絲綢之路”的必經(jīng)之路，因此南海的戰(zhàn)略價值日益彰顯。南海屬于熱帶海洋，其水溫以及氣候十分適于珊瑚的繁殖，因此會在海底的地形變化處形成珊瑚礁或珊瑚島嶼，如圖 1-1（a）所示，也正因?yàn)檫@個原因，南海上的東沙、西沙及南沙群島中的多數(shù)海島均為珊瑚島嶼。而在對南海的開發(fā)中，島礁的存在勢必起著極為重要的戰(zhàn)略作用。島礁可以為各種資源的開發(fā)提供依托和保障，為我國“海上絲綢之路”航線的通暢保駕護(hù)航，保障國家的戰(zhàn)略物資需求。同時南海島礁也是中國領(lǐng)土主權(quán)中不可分割的一部分，是中國領(lǐng)土的最前沿，是中國的南大門，可以為國家的戰(zhàn)略部署提供前沿的基地。因此，南海島礁的戰(zhàn)略地位日益凸顯，圍繞島礁的爭奪和建設(shè)也愈演愈烈。

存在也使得近島礁附近海況復(fù)雜激烈，島礁周圍較大的淺水范圍也使得島礁補(bǔ)給更為困難[2]。為了更好地保障資源開發(fā)及島礁建設(shè)，如圖 1-1（在島礁附近建立一個平臺作為綜合保障基地就是一個極佳的選擇。圖 1-2 島礁附近的海底地形剖面圖[3]Fig.1-2 Section of seabed near island and reefs般情況下，平臺按照適應(yīng)水深的不同，會有不同的平臺形式。平臺按照不同，可分為固定式平臺以及移動式平臺。固定式平臺可分為重力式平臺平臺等；移動式平臺可以分為底撐式平臺以及浮動式平臺，底撐式平臺升式平臺以及坐底式平臺，浮動式平臺可分為半潛式平臺、TLP 平臺、S形式。如圖 1-3，根據(jù)水深的變化，在淺水區(qū)域，一般采用固定式平臺或臺；隨著水深變深，平臺形式逐漸向浮式轉(zhuǎn)變。在超深水區(qū)域，由于海劣，順應(yīng)式浮式平臺開始展現(xiàn)出其良好的抗風(fēng)浪能力，TLP 平臺、Spar半潛式平臺開始隨著人們對于海洋的探索而不斷向深海領(lǐng)域挺進(jìn)。

圖 1-4 大型模塊化浮式平臺（可移動陸地）概念圖Fig.1-4 Conceptual figure of modularized platform in South Sea因此，在建設(shè)島礁、開發(fā)島礁的過程中，在近島礁位置設(shè)立一個浮式臺就成了一個極佳的選擇。然而對于島礁附近的浮式平臺，其所處的波浪深水的線形波浪環(huán)境有較大區(qū)別。一方面島礁附近海底復(fù)雜的地形條件會浪在此處發(fā)生反射、繞射以及折射等一系列變化[5]，使得波浪環(huán)境較為復(fù)一方面波浪在從深水向淺水傳播的過程中，水質(zhì)點(diǎn)的軌圓運(yùn)動受到底部邊的阻塞作用從而使波浪產(chǎn)生變形，波浪波峰偏向前緣，波陡增大并產(chǎn)生翻碎，因此會帶來更多的強(qiáng)非線性波浪問題，強(qiáng)非線性波浪會對平臺造成非強(qiáng)的抨擊、爬高等載荷作用。因此在近島礁浮式平臺的設(shè)計建造與安全性對島礁波浪環(huán)境及浮式結(jié)構(gòu)物水動力特性的研究顯得尤為重要。精確模擬海浪在淺水礁坪上的一系列變化以及分析近島礁波浪對浮式的水動力載荷是相當(dāng)困難的。目前國際上的專家學(xué)者在波浪數(shù)值模擬領(lǐng)域和應(yīng)用方面已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果，目前通過建立波浪的數(shù)值模型，可出波浪在海洋環(huán)境下的傳播、反射、折射、繞射等情形[6]，但針對波浪在
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 丁軍;程小明;田超;張凱;吳波;;近島礁淺水環(huán)境下浮式平臺系泊系統(tǒng)設(shè)計研究[J];船舶力學(xué);2015年07期

2 肖越,王言英;三維錨泊系統(tǒng)時域計算分析[J];船舶力學(xué);2005年05期

3 黃祥鹿,陳小紅,范菊;錨泊浮式結(jié)構(gòu)波浪上運(yùn)動的頻域算法[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2001年10期

4 范菊,黃祥鹿;錨泊線的動力分析[J];中國造船;1999年01期

5 劉應(yīng)中,繆國平,李誼樂,劉滋源,劉和東,黃慶玉,馬慶久;系泊系統(tǒng)動力分析的時域方法[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;1997年11期

6 林建國,陶堯森;浮體淺水非線性波動問題的 Boussinesq 方程求解方法[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;1997年02期

本文編號：2860914