1.5 本文研究内容及研究方法.8

第 2 章 数学模型... 9

2.1 流体与结构运动的基本控制方程 9

2.1.1 流体的基本控制方程..9

2.1.2 流体力学方程组... 9

2.1.3 湍流模型.11

2.1.4 结构的运动方程 12

2.2边界条件. 15

2.2.1入流边界条件.15

2.2.2 出流边界条件 15

2.2.3 固体边界条件 15

2.2.4 自由液面条件 16

2.2.5 初始条件.16

2.3波面方程. 16

2.4数值离散方法.17

2.5自由液面捕捉法.17

2.6本章小结. 17

第三章 数值模拟与分析..18

3.1 引言.18

3.2 计算流体力学软件Fine/Marine 的介绍18

3.2.1 Fine/Marine 软件简介.18

3.2.2 全六面体非结构网格生成器 HEXPRESS. 19

3.2.3 不可压粘性流场ISIS-CFD 求解器..19

3.2.4 后处理工具 CFView...19

3.3 固定浮式结构与自由浮动结构模型的建立. 20

3.3.1 模型参数..20

3.3.2 固定浮式结构与自由浮动结构的几何模型..20

3.3.3 固定浮式结构与自由浮动结构模型网格划分..22

3.3.5 波浪监测点的设置26

3.4 算例验证 27

3.4.1 引言. 27

3.4.2 模型参数与测点布置28

3.4.3 结果对比.28

3.5 自由浮动结构在波浪中的数值模拟..30

3.6 固定浮式结构与自由浮动结构在波浪中的数值模拟.32

3.6.1 单浮体与并排双浮体之间的运动对比.. 32

3.6.2 单浮体与并排双浮体之间的受力对比.. 34

3.7 本章小结 35

第四章 固定浮式结构与自由浮动结构窄缝间的流场分析.36

4.1 概述.36

4.2 窄缝间的流场变化36

4.2.1 窄缝间的波面升高.36

4.2.2 水动压力云图 40

4.2.3 速度矢量图.41

4.3 不同间距对水动力性能的影响.. 42

4.3.1 不同间距对自由浮动结构运动的影响.. 42

4.3.2 不同间距对自由浮动结构受力的影响.. 43

4.3.3 不同间距对窄缝间波面升高的影响.. 44

4.4 小结.45

总结与展望..47

研究结论.47

研究展望.47

致谢...49

参考文献... 50
第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义随着经济的发展，石油和天然气的消耗量不断增加。陆地储存量的减少和开采难度的增加，导致了海洋油气的开采越来越多。海洋面积广阔，油气资源十分丰富。为了实现经济的可持续发展，解决石油天然气气供应不足问题，必须进行海洋油气的开发。《Offshore》统计出了上世纪中叶海洋油气开采情况（图 1-1），由其数据可以表明海洋油气的开采从少到多、从浅海至深海的发展过程。随着海上油气开采量的增加，作为海上油气开采利器的深海平台的需求也不断上涨。深海平台技术的发展称为国际海工技术发展和进步的重要标志。图 1-1 海洋油气开采趋势随着油气需求量的增加和海洋平台技术的发展， 单体浮式结构的海上施工已经不能满足需求， 因此， 多浮体系统应运而生。 例如穿梭油轮与FPSO （Floating ProductionStorage and offloading Units）的原油外输、海洋平台上层组块在海上的双船浮托安装、LNG 船与FLNG（Floating Liquefied Natural Gas）的旁靠装卸操作（图1-2）等。 传统的单体浮式结构数值模拟方法已经很难准确的分析和预报作业过程中各个浮式结构的运动与受力。因此，对浮式结构系统的探索以及多浮体结构在波浪中的水动力性能研究，对海上作业的安全和可靠性具有重要意义。在波浪作用下，多浮式结构系统中的反射波会互相影响，局部地区波浪存在放大和遮蔽效应，特别是浮体窄缝间的流体发生共振时，粘性作用非常明显，在这种情况下，浮式结构的运动和水动力分析变得尤为困难。目前，浮式结构窄缝间的流体干扰现象已成为各国学者的研究热点与难点之一。在海上两浮式结构的靠泊方式分为串靠（图 1-3）和旁靠（图1-4）。串靠是指运输驳船通过缆绳连接于浮式结构的尾部，两者连接成一条直线，间距较大，一般为30~50m，系泊技术相对简单。旁靠是指海上运输过程中，两浮式结构平行靠泊，两者之间的距离非常狭窄，只有4~10m。相比于串靠，旁靠系泊技术更为可靠，技术相对复杂，问题多，操作难点多。在两浮式结构的旁靠过程中，当两结构间的间距逐渐变小，容易产生类似于晃荡现象的非线性运动，这种现象被称为窄缝振荡，这种现象使得窄缝间的流体运动变得更加剧烈，并且使得结构运动和受力响应变得难以预报。因此，为了提高海洋中浮式结构作业和生产的安全性和可靠性，一套能够有效可靠的预报海洋浮式结构旁靠相互耦合作用分析的数学模型和理论分析方法是必不可少的。