浮式平臺性能

概論浮式結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動可分解為哪些類別？1）波頻運(yùn)動2）高頻運(yùn)動3）慢漂運(yùn)動4）平均漂移。搖蕩剛體的六個自由度運(yùn)動指哪些？搖蕩剛體的平移運(yùn)動指縱蕩、橫蕩和垂蕩，垂蕩即垂向的運(yùn)動。搖蕩的角運(yùn)動指橫搖、縱搖和首搖，其中首搖為繞垂向軸的轉(zhuǎn)動。船的縱蕩是縱向的運(yùn)動，而橫搖為繞縱向軸的角運(yùn)動。波頻運(yùn)動的定義？波頻運(yùn)動主要是在有義波能范圍內(nèi)的線性激勵運(yùn)動。波浪主要能量大致集中在3s-20s的范圍內(nèi)。在這個范圍內(nèi)（特別是8s-16s內(nèi)），波浪對浮式結(jié)構(gòu)施加很大的載荷，浮式結(jié)構(gòu)通過一個相同周期的運(yùn)動作出響應(yīng)，其幅值以幾乎線性的方式與波幅相聯(lián)系。波頻運(yùn)動分析的線性水動力包括哪些？波激力、附連質(zhì)量力、阻尼力、回復(fù)力和力矩船舶常見的總體運(yùn)動問題有哪些？垂向加速度和相對垂向運(yùn)動。加速度決定貨物和設(shè)備上的載荷，對暈船也是一個很重要的原因。相對垂同運(yùn)動可以用來評估砰擊和甲板上浪的可能性和引起的破壞（砰擊為船體和水之間的碰撞）。橫搖。大幅橫搖引起船舶進(jìn)水，傾覆，對船舶安全至關(guān)重要。液艙晃蕩。液艙晃蕩對于散貨船、油礦組合船(OBO)、液化天然氣(LNG)船以及在海上系船站裝油的油輪都是一個問題。砰擊載荷影響局部構(gòu)件強(qiáng)度；影響總體運(yùn)動；影響總體結(jié)構(gòu)載荷；彎矩，剪力和扭矩鞭振和彈振。鞭振是由例如砰擊等引起的船體梁的瞬態(tài)彈性振動。彈振是由波浪引起的定常彈性振動，對大型海輪和大湖型船只特別重要。主動減速。主動減速表明船長因嚴(yán)重砰擊、甲板上浪或者大的加速度而降低速度。非主動減速。是因波浪和風(fēng)增加了船的阻力以及波浪引起推進(jìn)器效率改變所造成的結(jié)果。海洋結(jié)構(gòu)物總體運(yùn)動常見問題有哪些？（1）垂蕩運(yùn)動：對于平臺鉆井作業(yè)很重要，因?yàn)殂@井立管的垂向運(yùn)動需要被補(bǔ)償，而運(yùn)動補(bǔ)償系統(tǒng)能夠補(bǔ)償多少是有限度的。作為垂向運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)的例子是垂向運(yùn)動幅度須小于4米。因此設(shè)計出低垂蕩運(yùn)動的結(jié)構(gòu)物是很重要的。(2)橫搖：搖運(yùn)動也是一個可用為評估的重要運(yùn)動模式。例如起重船的操作（釋放，移位）或者用船運(yùn)輸自升式和半潛式平臺。(3)系泊系統(tǒng)設(shè)計分析問題，深水中立管和錨鏈帶來的挑戰(zhàn)（4）氣隙。半潛式，張力腿平臺浮體與波浪間垂向相對運(yùn)動。波浪和平臺底側(cè)的氣隙計算波面高度，最小氣隙（5）多浮體間水動力和運(yùn)動干擾。在設(shè)計油氣卸載系統(tǒng)時，需要考慮多浮體間的水動力和機(jī)械干擾。（6）渦激誘導(dǎo)運(yùn)動。在高湍流情況下，海流流經(jīng)細(xì)長的柱體結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生橫向的周期性的流載荷，引起結(jié)構(gòu)的振蕩，稱為渦激振動(Vortexinducedvibrations)。對于海洋立管（大跨度細(xì)長桿件），海底管線，單筒式平臺(Spar)，深吃水平臺，VIV很容易發(fā)生，需要考慮其對平臺運(yùn)動，立管疲勞強(qiáng)度的影響。海洋結(jié)構(gòu)物受到的水動力哪兩類？分為粘性水動力載荷與勢流水動力載荷。兩者對確定海洋結(jié)構(gòu)物上由波浪引起的運(yùn)動和載荷都很重要。勢流中包括圍繞結(jié)構(gòu)物的波浪繞射和散射。海洋結(jié)構(gòu)物總體性能分析的工程手段有哪些？數(shù)值計算、模型試驗(yàn)、實(shí)尺試驗(yàn)、現(xiàn)場檢測1)數(shù)值計算：隨著高速計算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)值計算在計算船體和海洋結(jié)構(gòu)物的波浪誘導(dǎo)運(yùn)動和載荷方面扮演著重要角色。數(shù)值程序需要經(jīng)過驗(yàn)證，其準(zhǔn)確性和功能取決于水動力學(xué)的發(fā)展。2)模型試驗(yàn):把產(chǎn)品推向市場;檢驗(yàn)設(shè)計;驗(yàn)證理論或數(shù)值方法;適用于哪些無法采用理論或數(shù)值方法處理的問題;得到經(jīng)驗(yàn)性的系數(shù)（橫搖阻尼，流力系數(shù)，風(fēng)力等）;驗(yàn)證海洋工程運(yùn)輸，按照等作業(yè);評估高階效應(yīng);滿足客戶要求;模型試驗(yàn)缺點(diǎn):尺度效應(yīng)：當(dāng)黏性力起主導(dǎo)作用時，從模型試驗(yàn)的結(jié)果可以換算到實(shí)尺結(jié)果有困難。幾何尺度和模型試驗(yàn)的設(shè)備也會限制試驗(yàn)的可能性。3)全尺度試驗(yàn)。造價昂貴，難以在可控條件下操作4)現(xiàn)場檢測。提供了現(xiàn)場海洋環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，對于指導(dǎo)設(shè)計，檢驗(yàn)現(xiàn)有設(shè)計方法有很大的幫助。

第二章海洋環(huán)境微幅平面行進(jìn)波滿足的線性運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)邊界條件表達(dá)形式。線性運(yùn)動學(xué)條件：線性動力學(xué)條件：無限水深平面行進(jìn)波滿足的色散關(guān)系式。海洋環(huán)境課件（1）中練習(xí)1。矩形水池中流體的諧搖運(yùn)動

考慮部分充水的一矩形水池，水深為常數(shù)雖且等于h，池寬為2b。假設(shè)在(y,z)平面內(nèi)有流體的二維運(yùn)動且水池本身不在移動。證明速度勢：

滿足Laplace方程和池底邊界條件。(b)該速度勢在池壁上滿足邊界條件的波數(shù)k是多少？(c)由自由液面條件證明，當(dāng)流體可能有流動時，周期（即固有周期）僅能由下式給定：

當(dāng)時，推導(dǎo)一個近似的公式。

(d)以時間函數(shù)的形式描述在自由液面處的流體運(yùn)動。海洋環(huán)境課件（1）中練習(xí)4中（a）。假定波譜如圖所示(a)由H1/3和T1的定義，驗(yàn)證a=1.5,b=(32π)-1。在已知線性入射波速度勢的前提下，會推導(dǎo)線性入射波速度和加速度、線性波動壓力的表達(dá)式。（見課件練習(xí)2例題）深水和有限水深中線性規(guī)則波波浪質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡有何特點(diǎn)？在深水情況下，a=b=，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為一個圓，在水面處軌跡半徑為波浪振幅，隨著質(zhì)點(diǎn)距水面深度增大，軌跡圓的半徑以指數(shù)函數(shù)形式迅速減小。了解波浪傳播的相速度和群速度含義和計算公式。為波形傳播速度即相速度，波形合成波的波群速度即為群速度，無限水深時，對于淺水波線性理論常被用來模擬不規(guī)則海浪并獲得統(tǒng)計預(yù)測。簡述應(yīng)用二維線性平面行進(jìn)波描述不規(guī)則的模型。在獲得海浪譜后，如何表示離散的規(guī)則波波幅？當(dāng)前應(yīng)用數(shù)值方法依據(jù)非線性波浪理論直接模擬海浪已經(jīng)取得很大進(jìn)展。在實(shí)踐中，線性理論常被用來模擬不規(guī)則海浪并獲得統(tǒng)計預(yù)測。沿x軸正向傳播的長峰不規(guī)則波的波面升高可看作大量單元規(guī)則波的組合，即：已知海浪譜，如何表達(dá)有義波高，波面起伏的方差又如何表示？海面上風(fēng)的運(yùn)動形式與粗糙平板上的湍流非常相近，邊界層厚度為幾十米（或百米）。實(shí)用中常使用哪兩類函數(shù)來描述風(fēng)速沿高度的分布？在熱穩(wěn)定大氣下，認(rèn)為平均速度遵循湍流邊界層的對數(shù)律。

式中:v*為摩擦速度，K為馮．卡門常數(shù)（約為0.4）;z0為一個隨海況（因而隨風(fēng)速）變化的粗糙度高度，文獻(xiàn)中給出z0的值在幾十毫米到幾厘米之間變化。

摩擦速度可通過下式計算：

式中：Cd為摩擦系數(shù)，Vm為參考平均速度（通常為Vm(10,600)）實(shí)用中常使用對數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)使Vm(z,t)與Vm(10,t)相連，取水面以上10為參考高度。

對數(shù)函數(shù)寫為：

冪函數(shù)寫為：

式中，α的典型值在0.1-0.2之間。

大部分規(guī)范推薦冪函數(shù)。系數(shù)α可根據(jù)大氣穩(wěn)定性條件（不穩(wěn)定的大氣導(dǎo)致一個更平的剖面）和平均速度的參數(shù)時間（陣風(fēng)也有一個更平的剖面）而調(diào)整。為了描述風(fēng)速的脈動效應(yīng)，常將風(fēng)速分解為哪兩個部分？脈動分量常用風(fēng)速的何種頻域統(tǒng)計特征來描述？海冰的物理力學(xué)特性哪些。海冰的物理力學(xué)特性包括晶體結(jié)構(gòu)、厚度、含鹽度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。這些特征的形成具有明顯的區(qū)域性與時間性特點(diǎn)，與所含鹽度密切相關(guān)。比如含有鹽水泡的海冰就不如純水冰密結(jié)與質(zhì)硬，其抗壓強(qiáng)度比純水冰低，約為純水冰的3／4大小，而多年冰的鹽分經(jīng)過排析后降低了鹽度，使其強(qiáng)度和剛度又比單年冰高。內(nèi)波是如何產(chǎn)生的？內(nèi)波波速和波幅與表面波相比如何？內(nèi)波：發(fā)生在海洋內(nèi)部不同密度層間的波動就稱為海洋內(nèi)波(InternalWave)。上層與下層因溫度、含鹽量差別致使密度不同，當(dāng)上層與下層之間的界面受到擾動就形成內(nèi)波。

最簡單的一種內(nèi)波形式是發(fā)生在不同海水密度的海水界面處，稱之為界面內(nèi)波。由于二層海水的密度相差不大，內(nèi)波的恢復(fù)力也就比表面重力波的恢復(fù)力小許多，內(nèi)波波速比表面波波速也小許多，但內(nèi)波振幅卻很大。內(nèi)波的破壞力，主要是產(chǎn)生內(nèi)波的躍層上下，會形成兩支流向正相反的內(nèi)波流。這種內(nèi)波流速可高達(dá)1.5米／秒，猶如剪刀一般，破壞力極大。加拿大戴維斯海峽深水區(qū)的一座石油鉆探平臺，就曾遭內(nèi)波襲擊而不得不中斷作業(yè)。海底輸油管和電纜等的斷裂很可能與這種作用有關(guān)。

第三章線性波浪對浮式結(jié)構(gòu)物的誘導(dǎo)運(yùn)動和載荷1、按照規(guī)則波中浮體搖蕩運(yùn)動和流動線性化定解條件，浮體周圍的波動由入射波和擾動波組成，擾動勢包括哪兩個分量？擾動速度勢滿足的定解條件包括哪些？由問題的線性性質(zhì)可將擾動勢分解為二個分量：物體不動由入射波產(chǎn)生的繞射勢；沒有入射波時由物體運(yùn)動產(chǎn)生的輻射勢。在浮體平均濕表面滿足線性化不可穿透條件、船體上的滑移條件、船體上的不可穿透條件。2、自由浮體在規(guī)則波中受到的線性波浪水動力包括哪兩類？兩部分水動力載荷：其中一部分來自于入射波浪和繞射波浪力，合稱為波浪力。另一部分來自于船體在靜水中搖蕩運(yùn)動引起的流體反作用力載荷稱之為輻射力。3、結(jié)構(gòu)物受到的線性波浪力分析模型如何？浮體約束不動時首入射波作用浮體受到的水動壓力分為哪兩部分？這兩部分水動壓力產(chǎn)生的水動力載荷貢獻(xiàn)包括哪些？結(jié)構(gòu)物上的波激力和力矩是當(dāng)物體搖蕩被約束并出現(xiàn)入射波時所受的載荷?？梢詫⒎嵌ǔ５牧黧w壓力分為兩部分。一部分是由未受擾動的波引起的非定常壓力，由此未受擾動的壓力場產(chǎn)生的力稱為Froude-Kriloff力。另外必定還存在一個因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物改變了此壓力場而產(chǎn)生的力，這個力稱為繞射力。貢獻(xiàn)：Froude-Kriloff力產(chǎn)生非定常壓力、繞射力改變了壓力場4、浮體在靜水中簡諧搖蕩運(yùn)動時受到的線性穩(wěn)態(tài)流體載荷包括哪兩類？其中的輻射水動力載荷是如何得到的，分為哪兩類水動力？來自于船體在靜水中搖蕩運(yùn)動引起的流體反作用力載荷稱之為輻射力。附連質(zhì)量和阻尼載荷是剛體強(qiáng)迫簡諧運(yùn)動的穩(wěn)態(tài)水動力和力矩。沒有入射波，然而物體的強(qiáng)迫運(yùn)動興起了向外擴(kuò)散的波浪，并在物面上產(chǎn)生振蕩的流體壓力。對物面上的流體壓力進(jìn)行積分得到物體上的力和力矩。5、對于三維自由浮體，共有36個附加質(zhì)量和36興波阻尼系數(shù)。假設(shè)浮體在垂蕩方向上做微幅簡諧搖蕩運(yùn)動，其搖蕩位移表示為，那么浮體受到的水動力在方向上如何表示？6、浮體在靜水中簡諧搖蕩運(yùn)動時還受到靜水恢復(fù)力作用，線性靜水恢復(fù)力一般是如何表示的？垂蕩方向和橫搖、縱搖運(yùn)動的靜水恢復(fù)力系數(shù)如何表示？常將靜水壓力-pgz產(chǎn)生的船體作用力和由重心位置變化產(chǎn)生的船體作用力合在一起考慮。當(dāng)浮體無約束自由漂浮時，將力和力矩分量寫為：

7、了解浮體受到的線性運(yùn)動搖蕩方程的一般表達(dá)形式，了解其中各項的表達(dá)含義？8、估算平臺或者船舶運(yùn)動的幅值時，固有或諧搖周期、阻尼等級和波浪激勵等級都是非常重要的參數(shù)。不耦合且無阻尼影響的諧搖周期是如何表達(dá)的？如不考慮系泊纜索恢復(fù)力，自由浮體垂蕩運(yùn)動固有周期按此是如何表達(dá)的？估算平臺或者船舶運(yùn)動的幅值時，固有或諧搖周期、阻尼等級和波浪激勵等級都是非常重要的參數(shù)。因?yàn)槿绻Y(jié)構(gòu)物受到的激勵搖蕩周期在諧搖周期附近，就容易發(fā)生相對較大的運(yùn)動。然而，如果阻尼較大或激勵等級由于抵消效應(yīng)而相對較小，諧搖周期的響應(yīng)與其他周期的響應(yīng)就很難區(qū)分。

不耦合且無阻尼影響的諧搖周期可以寫為對半潛平臺或船舶而言，或者其他類型的自由漂浮物體，垂蕩的固有周期可以寫成：9、一般來說，駁船、FPSO和其它船舶的升沉、橫搖和縱搖固有周期在波浪周期范圍內(nèi)。當(dāng)波浪的某一周期與其固有周期相同時，發(fā)生共振響應(yīng)。其幅值取決于系統(tǒng)的阻尼率。對于常規(guī)排水式船的縱搖和升沉運(yùn)動，何種阻尼是最重要的？輻射阻尼是重要的，它所產(chǎn)生的作用與粘性效應(yīng)帶來的阻尼相比占主導(dǎo)作用。10、在Froude數(shù)或前進(jìn)速度為0時，船舶橫搖的阻尼來自哪些因素？在高Froude數(shù)時，船體及舵的何種作用是很重要的。在Froude數(shù)或前進(jìn)速度為0時，船舶橫搖的阻尼來自興波、黏性作用和減搖裝置。在高Froude數(shù)時，船體及舵的升力作用是很重要的。黏性效應(yīng)可以分為表面摩擦效應(yīng)以及由船體周圍的壓力分布引起的黏性效應(yīng)。后一項效應(yīng)經(jīng)常與旋渦形成聯(lián)系在一起，因此在文獻(xiàn)中也稱為造渦阻尼。11、海洋結(jié)構(gòu)中的浮體，如船體，半潛式平臺的浮箱、立柱等，常為長度較其橫剖面尺寸大得多的結(jié)構(gòu)。對于這類細(xì)長構(gòu)件常采用切片理論計算浮體受到的線性水動力，其近似的合理性如何？海洋結(jié)構(gòu)中的浮體，如船體，半潛式平臺的浮箱、立柱等，常為長度較其橫剖面尺寸大得多的結(jié)構(gòu)。對于這類細(xì)長構(gòu)件，當(dāng)波浪經(jīng)過并引起浮體運(yùn)動時，附近流體將主要垂直于浮體軸線的平面內(nèi)流動，因此可將作用在整個浮體上的流體動力由各個橫剖面“切片”上的流體動力疊加得到，這便是工程上常用的切片法。12、已知零航速靜水中二維柱體剖面微幅搖蕩的附加質(zhì)量系數(shù)和興波阻尼系數(shù)，用切片理論思想預(yù)報獲得整個柱體的垂蕩和縱搖輻射水動力系數(shù)。*13、在長波近似下，掌握作用在浸沒水下的水平或垂直圓柱體結(jié)構(gòu)勢流波浪力有哪兩部分組成？假設(shè)柱體直徑為，其表達(dá)形式如何？由此說明柱體慣性水動力的由來。（可能是計算題，看課件）*14、在長波近似下，將柱體受到的波浪力計算公式推廣到小體積結(jié)構(gòu)物，波浪力公式可以表示為如下形式：，了解該公式中各個變量的含義。如果物體完全浸沒于水下，公式中的第一項又可做何種近似。（也可能是計算題，看課件）式中：p是未受擾動波浪場的壓強(qiáng)；n是物面法向單位向量，指向流場為正；積分是沿物體平均濕表面。此外，a1,a2,a3是未受擾動流場沿x,y,z軸的加速度分量，并且是在物體的幾何中心估算的。如果物體完全浸入水中，并相對于波長來說較小，而且整個物體表面是濕的，那么可以認(rèn)為：*15、基于長波近似，了解TLP平臺作用在浮筒上的垂向波浪力計算過程。16、掌握長方盒形浮體駁船在長波規(guī)則波中運(yùn)動響應(yīng)計算過程的練習(xí)。17、了解長波橫浪規(guī)則波中半潛式平臺垂蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)曲線特征，了解垂蕩運(yùn)動峰值和垂蕩響應(yīng)零點(diǎn)存在的原因，了解影響半潛式平臺垂蕩運(yùn)動的有關(guān)因素。由平臺垂蕩運(yùn)動方程可得：18、船舶橫搖可成為一個問題，它的幅值會達(dá)到30-400。大角度橫搖使船員難以工作。因而很多船舶上裝備了橫搖減搖裝置以避免強(qiáng)烈的橫搖諧搖效應(yīng)。目前世界上廣泛采用的減搖裝置包括哪些？其中減搖效果最好的是？舭龍骨、減搖水艙和減搖鰭。減搖鰭的減搖效果最佳。19、掌握三維和二維無限流場中單位源強(qiáng)速度勢表達(dá)形式。無界流場中二維柱體搖蕩運(yùn)動流場勢如何用分布源積分方程表示？對積分表達(dá)式做簡單解釋。為求解出分布源積分方程中物面分布源強(qiáng)度，還需要補(bǔ)充何種物面條件邊界條件？定義二維點(diǎn)源的源強(qiáng)m，則

定義三維點(diǎn)源的源強(qiáng)為ｍ，則無限流體中的一個圓柱體物體表面分布源速度勢：20、采用考慮波浪效應(yīng)的源匯分布法求解自由漂浮浮體的水動力，二維或三維興波點(diǎn)源速度勢除滿足拉普拉斯方程外，還需滿足何種邊界條件。（課件上3.114至3.117分別對應(yīng)自由液面、物面邊界、底部邊界、輻射條件）第四章浮式