本文關(guān)鍵詞：深海浮式結(jié)構(gòu)物內(nèi)孤立波載荷及其動(dòng)力響應(yīng)特性研究

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【摘要】：我國(guó)南海深海海域油氣資源儲(chǔ)量豐富，，加大其勘探開(kāi)發(fā)力度能有效地緩解我國(guó)正面臨的能源危機(jī)。深海浮式平臺(tái)（包括Spar平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和張力腿平臺(tái)等）作為一類基礎(chǔ)性的海洋工程設(shè)施，在南海深海油氣開(kāi)發(fā)工程中扮演著極其重要的角色。大量海上遙感觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)表明，南海內(nèi)孤立波活動(dòng)頻繁而且分布范圍廣泛，對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的安全性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在南海海域的能源開(kāi)采工程中，其危害性僅次于臺(tái)風(fēng)。因此，內(nèi)孤立波將是南海海洋工程中需要考慮的環(huán)境因素之一。然而，有關(guān)這種特殊海洋環(huán)境對(duì)深海浮式平臺(tái)可能會(huì)造成的危害機(jī)理等問(wèn)題迄今尚不清楚。 有鑒于此，本文在回顧和總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值相結(jié)合的方法，對(duì)Spar、半潛和張力腿平臺(tái)這三類深海浮式結(jié)構(gòu)物在內(nèi)孤立波環(huán)境中的載荷及其動(dòng)力響應(yīng)特性問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究工作。具體內(nèi)容如下： 在第二章中，利用大尺度密度分層水槽，采用將兩塊與水槽等寬的推板反向平推的方法，發(fā)展了一種新的實(shí)驗(yàn)室造波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)孤立波的振幅可控。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展系列實(shí)驗(yàn)，研究了KdV、eKdV、mKdV和MCC這四類兩層流體內(nèi)孤立波理論模型的適用性問(wèn)題。結(jié)果表明，對(duì)以水深為基準(zhǔn)定義的非線性參數(shù)ε和色散參數(shù)μ，存在一個(gè)臨界色散參數(shù)μ0，當(dāng)μ μ0時(shí)，KdV理論適用于ε≤μ的情況，eKdV理論適用于μ ε≤μ的情況，而MCC理論適用于ε μ的情況，而且當(dāng)μ≥μ0時(shí)MCC理論也是適用的。結(jié)果進(jìn)一步表明，當(dāng)上下層流體深度比并不接近其臨界值時(shí)，mKdV理論主要適用于內(nèi)孤立波振幅接近其理論極限振幅的情況，但這時(shí)MCC理論同樣適用。 在第三章中，基于兩層流體中內(nèi)孤立波KdV、eKdV和MCC理論的適用性條件，建立了Spar、半潛和張力腿三類深海浮式平臺(tái)內(nèi)孤立波載荷理論模型。研究表明，這三類深海浮式平臺(tái)的內(nèi)孤立波水平力包括水平Froude-Krylov力、慣性力和拖曳力三個(gè)部分，而內(nèi)孤立波垂向力主要為垂向Froude-Krylov力。對(duì)慣性力和拖曳力可以由Morison公式進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)Froude-Krylov力則可以用內(nèi)孤立波誘導(dǎo)的動(dòng)壓力進(jìn)行計(jì)算。在大型重力式密度分層水槽中，對(duì)內(nèi)孤立波作用下這三類深海浮式平臺(tái)的載荷特性開(kāi)展了系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)Morison公式中兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在內(nèi)孤立波環(huán)境下的取值建立了相關(guān)計(jì)算方法，研究并分析了三類深海浮式平臺(tái)的內(nèi)孤立波載荷特性及其變化規(guī)律。 在第四章中，將所建立的內(nèi)孤立波載荷理論模型與Spar、半潛和張力腿三類深海浮式平臺(tái)浮體的非線性運(yùn)動(dòng)方程及其系泊動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合，建立了內(nèi)孤立波與Spar、半潛和張力腿三類深海浮式平臺(tái)強(qiáng)非線性作用的理論模型。以東沙群島某海域?qū)崪y(cè)內(nèi)孤立波特征參數(shù)為依據(jù)，對(duì)內(nèi)孤立波作用下三類平臺(tái)的動(dòng)態(tài)載荷、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其系泊動(dòng)力特性進(jìn)行了系列數(shù)值模擬與分析，獲得了這些水動(dòng)力量的時(shí)歷變化特性及其幅值隨內(nèi)孤立波振幅和密度分層參數(shù)的變化規(guī)律。研究表明，內(nèi)孤立波不僅會(huì)三類深海浮式平臺(tái)產(chǎn)生突發(fā)性沖擊載荷作用，使其產(chǎn)生大幅度水平漂移運(yùn)動(dòng)，而且還會(huì)使其系泊張力顯著增大。因此，在三類深海浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，內(nèi)孤立波的影響是不可忽視的。
【關(guān)鍵詞】：分層流體 內(nèi)孤立波 深海浮式結(jié)構(gòu)物 載荷與動(dòng)力響應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U674.38;U661.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-36
• 1.1 研究背景、目的和意義12-14
• 1.2 海洋內(nèi)波概述14-25
• 1.2.1 海洋內(nèi)波特性14-16
• 1.2.2 內(nèi)孤立波的生成機(jī)制16-18
• 1.2.3 南海內(nèi)孤立波的特征及其分布18-20
• 1.2.4 內(nèi)孤立波理論研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.5 內(nèi)孤立波實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3 深海平臺(tái)簡(jiǎn)介25-28
• 1.3.1 Spar平臺(tái)25-26
• 1.3.2 半潛平臺(tái)26-27
• 1.3.3 張力腿平臺(tái)27-28
• 1.4 深海浮式結(jié)構(gòu)物內(nèi)波水動(dòng)力特性研究現(xiàn)狀28-34
• 1.4.1 周期內(nèi)波與結(jié)構(gòu)物作用28-31
• 1.4.2 內(nèi)孤立波與結(jié)構(gòu)物作用31-34
• 1.5 本文工作及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)34-36
• 1.5.1 本文主要工作34-35
• 1.5.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)35-36
• 第二章 內(nèi)孤立波造波實(shí)驗(yàn)及其理論模型36-66
• 2.1 兩層流體內(nèi)孤立波理論模型36-42
• 2.1.1 KdV理論38-39
• 2.1.2 eKdV理論39-40
• 2.1.3 mKdV理論40-41
• 2.1.4 MCC理論41-42
• 2.2 內(nèi)孤立波造波實(shí)驗(yàn)方法42-51
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法42-46
• 2.2.2 內(nèi)孤立波設(shè)計(jì)振幅確定方法46-51
• 2.3 內(nèi)孤立波理論模型適用性條件51-60
• 2.4 相速度及特征頻率60-64
• 2.4.1 相速度60-62
• 2.4.2 特征頻率62-64
• 2.5 小結(jié)64-66
• 第三章 深海浮式結(jié)構(gòu)物內(nèi)孤立波載荷實(shí)驗(yàn)及其理論模型66-106
• 3.1 內(nèi)孤立波載荷理論模型66-69
• 3.2 內(nèi)孤立波載荷實(shí)驗(yàn)方法69-72
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析72-104
• 3.3.1 Spar平臺(tái)內(nèi)孤立波載荷特性74-85
• 3.3.2 半潛平臺(tái)內(nèi)孤立波載荷特性85-94
• 3.3.3 張力腿平臺(tái)內(nèi)孤立波載荷特性94-104
• 3.4 小結(jié)104-106
• 第四章 內(nèi)孤立波作用下深海浮式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)特性106-143
• 4.1 深海浮式平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)理論模型106-112
• 4.1.1 內(nèi)孤立波動(dòng)態(tài)載荷及其力矩107-109
• 4.1.2 浮力及其力矩109
• 4.1.3 系泊傳遞力及其力矩109-112
• 4.2 數(shù)值結(jié)果與分析112-141
• 4.2.1 Spar平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)特性113-124
• 4.2.2 半潛平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)特性124-133
• 4.2.3 張力腿平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)特性133-141
• 4.3 小結(jié)141-143
• 第五章 總結(jié)與展望143-145
• 5.1 總結(jié)143-144
• 5.2 展望144-145
• 參考文獻(xiàn)145-158
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文158-159
• 致謝159

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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本文編號(hào)：768021