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Comparative study on airgap under floating platforms and run-up along platform columns

Finn Gunnar Nielsen

Norsk Hydro ASA, Hydro Eamp;P Research Centre, Box 7190 5020 Bergen, Norway

目录

1导论 1

2 实验总述 3

2.1 综述 3

2.2案例A，圆形立柱 3

2.3方案B，方形圆角立柱 4

2.4 方案C ，浮式平台 5

3 数值计算结果 6

3.1参与机构 6

3.2 数值方法 6

4 案例A，圆柱形立柱，单色波 7

4.1 模型试验 7

4.2 数值计算 9

5 案例B，方形立柱，单色波 14

5.1模型试验 14

5.2 数值计算 15

6 案例A，圆柱形立柱，双色波 19

6.1模型试验 19

6.2 数值计算 19

7 案例B，方形立柱，双色波 26

7.1 模型试验 26

7.2 数值计算 26

8 案例C，半潜式平台，单色波 26

8.1模型试验 27

8.2 数值计算 27

总结 37

致谢 38

参考文献 40

摘要：当下应用于浮式平台工程设计的气隙计算方法非常简化。在近期的学术研究中提出了几种计算非线性绕射的方法，为评估这几种方法的计算性能，设定了平台气隙预报和波浪爬升的若干模型试验，并邀请了一些机构，采用各自的计算工具对设定的模型进行数值求解。本文对比不同的数值结果和模型试验结果，总结不同方法在对气隙预报时的优劣。

关键词：波浪爬升；非线性波浪；数值计算方法；模型试验

1导论

在对恶劣海况下的浮式平台设计时，甲板净高的确定显得尤为重要。需要足够的净高值以确保避免发生波浪砰击；而另一方面，过大的净高值无疑会增加平台的建造成本。因此必须准确估算甲板净高值。平台气隙值是指甲板下缘距波峰处的距离。波浪的波峰高是由入射波波高和经平台绕-辐射作用的波高叠加的结果。对于自升式平台，由于其桩腿直径较小，对入射波的绕辐射作用可以忽略。但是对于半潜式平台，由于立柱和浮筒尺寸较大，会产生明显的绕辐射效应。另外考虑到平台的运动，在计算气隙值时，应考虑平台位置的瞬时变化。在平台的立柱区域附近，会产生波浪爬升现象，具有强非线性特征。平台对波浪的绕辐射效应会加剧这种现象。

当发生波浪砰击时，平台所受的载荷会急剧增大。，为了量化这种载荷，需计算出负气隙值和当地的流体速度场，详见 Baarholm, Faltinsen and Herfjord [1]。本文主要考虑的是甲板气隙值，对砰击载荷不做探究。

之前已有几位学者分析了单立柱和多立柱的绕辐射问题和波浪爬升问题。McCamy 和Fuchs [2]给出了固定立柱辐射波长的线性解。Niedzwecki and Duggal [3]对固定单立柱做了模型试验，结果表明，对一般波陡的波浪情形，线性绕射理论普遍低估了波浪爬升现象。二阶绕射理论的求解方法，由 Kim and Yue [13] and [14]提出。 Lee and Newman [4]发展出基于边界元技术的二阶绕射理论，可对任意形状的物体求解。 Sung amp;Choi [5] 和Ferrant[12]提出使用完全非线性的方法求解绕射问题。Kriebel [6]发展出简化的方法用于计算沿立柱的波浪爬升。

现行的处理平台气隙和波浪爬升问题的方法简单粗陋，例如 NORSOK standard [15]：由结构物导致的波浪抬升和动力修正问题可以通过线性绕辐射理论求解。应当考虑到实际波峰只要比计算值偏大。有条件的话应当进行模型试验，已充分考虑由于大波陡和波物耦合引起的非线性因素。

实际操作过程中，通常会使用基于雷利分布的极限值修正法，如下：

，

式中：sigma; 波浪升高的标准差，计入线性绕辐射效应，N，寿命期内的波浪循环次数。alpha; 修正因子，计及波浪的非对称性。对于半潜式平台的气隙值预报问题，alpha;一般取作1.3。在对这类浮式平台做气隙预报时，要考虑线性因素和慢漂现象。

因为气隙和波浪爬升的计算精度直接影响后期的破浪砰击载荷的准确度。 the load committee of ISSC 2000 [7]决定开展一项研究，用于评估现行数值计算工具的计算水平。类似的研究可见于 the ISSC 1997， Brown and Mavrakos [8]用于评估系泊缆绳的阻尼值。Herfjord and Nielsen[9]对浮式平台的水动力系数做了比较研究。

本次研究是主要目的是评估现行的计算软件的能力，探讨半潜式平台的气隙响应和波浪爬升问题。试验案例分为三部分，标号A,B,C，具体如下：

1. 截断的固定圆形立柱刚体，波浪为单色波和双色波；
2. 立柱截面为方形并配有圆角，其余和A中相同；
3. 带有四个棱柱和四个浮筒的半潜式平台，平台处于自由状态，波浪为不同波陡的规则波。

以上的实验案例均有试验数据。

大约有50位（家）个人和机构受邀参加上述模型的数值计算。所有的机构和个人均为水动力领域的专家。如预期的一样，没有多少完善的计算结果提交上来。一部分是因为缺少合适的计算工具，另一部分是缺乏内部资金。因此我们很感谢提交计算结果的6家机构。本文中未列出全部的计算数据。一些机构也提交了不止一份计算方案，因此总共有9份计算方案。这些数值分析于1999年完成，后续的综合比较分析在2000年完成，这些数值分析的部分总结可见于 ISSC 2000 conference [7]。

接下来，将详细阐述3个案例的试验操作参数和试验结果，所有的数据均已函数图的形式展示，不包括具体的表格数据，因为图形表示更加明显。在具体的对比分析中，数据包括单色波和双色波的实验结果。其中一些非规则波的试验数据采用线性理论，实用意义不大，因而未采用。(以下只详细介绍方案C)

2 实验总述

2.1 综述

在案例A、B中，假设水的密度为1000kg/m3，而在案例C中，取为1025kg/m3，所有的入射波均为长峰波，并沿x轴正向传播，因非线性因素致使波浪轮廓不对称，波幅描述存在歧义问题，这里统一采用波高。在案例A、B中，取水深为489m，而在案例C中，取水深325m。

对于单色波，入射波的波高与波周期是给定的。对于双色波，坐标原点处的入射波时历曲线是已知的。因此，关于波浪分量的相位不确定问题均可避免。

2.2案例A，圆形立柱

试验采用截断的圆柱形立柱，直径为16.0m，吃水为24.0m。立柱等截面地穿过水面。立柱周围的波浪监测点布置如表1，径向距离是从圆柱中心起测量。详细的位置布置见图1。波浪参数见表2

图1 圆形立柱监测点布置（左），方形圆角立柱监测点布置（右）

表1 立柱波浪监测点位置

表2 波浪参数

2.3方案B，方形圆角立柱

截面为正方形的立柱，边长为16m，吃水为24m。圆角的半径为4.0m。波浪监测点位置如图1，监测点位置数据见表3，海况参数同方案A

表3 方形立柱监测点