本文譯自2005年海上技術(shù)會(huì)議

C.T. Stansberg; R. Baarholm; T. Kristiansen; E.W.M. Hansen; G. Rortveit

一、前言

本文研究了在陡峭和高波浪條件下，氣隙和甲板沖擊對(duì)柱基平臺(tái)的影響。基于線性和二階衍射-輻射分析的數(shù)值模型通過(guò)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，涵蓋了固定結(jié)構(gòu)和浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的多種情況。通過(guò)系統(tǒng)性調(diào)整波浪陡度，發(fā)現(xiàn)了顯著的高階效應(yīng)。波浪沖擊甲板載荷采用類似于Kaplan方法的簡(jiǎn)單公式建模，但考慮了大體積船體的放大效應(yīng)。預(yù)測(cè)的載荷時(shí)間序列與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。引入了使用商用流體體積法（Volume-of-Fluid）工具進(jìn)行的初步CFD研究，獲得了有前景的結(jié)果，同時(shí)提出了未來(lái)改進(jìn)的挑戰(zhàn)。

二、極端波浪與大體積平臺(tái)的相互作用

本文研究的問(wèn)題如圖1示意圖。一個(gè)大型且陡峭的波浪由于船體結(jié)構(gòu)的水下部分而被放大，可能會(huì)撞擊甲板的底部。此情境涵蓋了多種事件類型，從沿立柱的薄水流上升、到立柱周圍的局部波浪放大，再到因平臺(tái)放大而導(dǎo)致的大波浪撞擊甲板的沖擊。

圖1. 示意圖

通常自由水面高度的建模需考慮線性和非線性效應(yīng)，并結(jié)合模型試驗(yàn)修正。為了說(shuō)明這些問(wèn)題，圖2呈現(xiàn)了模型試驗(yàn)的快照，顯示了船體后部立柱處的波浪放大情況。

圖2. 多柱模型在陡峭波浪中測(cè)試的視頻

圖3展示了一個(gè)來(lái)自模型試驗(yàn)的波浪沖擊甲板的事件。上圖為未受干擾和放大的波浪，中圖為甲板上的水平和垂直總載荷，下圖為中心前部位置的局部甲板沖擊力測(cè)量值。

圖3. 甲板內(nèi)波浪記錄，GBS模型試驗(yàn)示例。

三、線性和二階波浪放大效應(yīng)的有效性

以下將系統(tǒng)地調(diào)查在各種柱基結(jié)構(gòu)案例中，線性和二階數(shù)值自由表面波浪建模的有效性。

案例研究

這里包括四個(gè)不同的案例：

a. 一個(gè)圓形固定垂直柱

b. 四個(gè)圓形固定垂直柱

c. 帶有沉箱的三柱固定重力結(jié)構(gòu)（GBS）

d. 系泊半潛式平臺(tái)（浮動(dòng)）

研究中的波浪條件包括各種規(guī)則和不規(guī)則波，其波周期和陡峭度都有所變化。此外，還對(duì)固定柱進(jìn)行了雙色波的測(cè)試。在本報(bào)告中，將重點(diǎn)介紹幾個(gè)選定條件下的結(jié)果，同時(shí)總結(jié)其他測(cè)試的一些主要發(fā)現(xiàn)。

數(shù)值建模

圖4. 四個(gè)案例研究幾何形狀的鳥瞰圖。

本次展示中使用的波浪探測(cè)器位置已標(biāo)出。

圖5. 二階數(shù)值面板模型的三維示意圖，帶有自由液面。

Selected results, 規(guī)則波

以下將比較線性和二階模型預(yù)測(cè)的最大波峰高度Atot與相應(yīng)的測(cè)量值。

圖6a-b. 單柱和四柱的波峰放大

圖6c-d. GBS和半潛式的波峰放大

圖7. 預(yù)測(cè)的高程與測(cè)量值的對(duì)比（單柱）。

波浪探頭位于柱前1.5米處；兩個(gè)隨機(jī)事件。

圖8. 預(yù)測(cè)的高程和氣隙與測(cè)量值的對(duì)比（半浮式）。波浪探頭編號(hào)1（上面兩個(gè)圖）和8（下面兩個(gè)圖）。

四、一個(gè)簡(jiǎn)化的甲板波浪載荷模型

本文開發(fā)了一種簡(jiǎn)化的方法，用于求解海上結(jié)構(gòu)甲板下由于波浪傳播引起的水沖擊力。目前的方法基于勢(shì)理論，可用于解決夾層型平臺(tái)以及半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)（TLP）和重力基礎(chǔ)（GBS）等大體積平臺(tái)的波浪沖擊問(wèn)題。計(jì)算得到了由甲板下濕潤(rùn)區(qū)域定義的面積上的綜合力。

圖9. 計(jì)算的垂直波浪沖擊甲板載荷事件與測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

五、完全非線性建模：使用商業(yè)CFD工具的初步研究

由于在波浪放大和沖擊問(wèn)題中觀察到強(qiáng)烈的非線性波浪-柱相互作用，因此啟動(dòng)了對(duì)使用完全非線性模型可行性的調(diào)查。考慮采用Volume-of-Fluid方法，使用商業(yè)軟件FLOW-3D。在之前對(duì)FPSO的綠水載荷研究中，該工具取得了有前景的結(jié)果。

圖10. 數(shù)值波浪水槽中波高為22米、周期為12秒時(shí)柱體的放大視圖

圖11. 中心平面的速度場(chǎng)。

圖12. 速度場(chǎng)快照，二維波浪沖擊甲板研究。

圖13. 甲板沖擊力時(shí)間歷程示例

六、結(jié)論

針對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了圍繞和穿過(guò)柱體的自由液面波高的線性和二階數(shù)值建模案例研究。通過(guò)系統(tǒng)的收斂性研究，選擇了最終的數(shù)值模型。結(jié)果顯示，自由液面上的空間面板分辨率比在結(jié)構(gòu)體上的更為關(guān)鍵。將不同位置和不同波陡度下的最大波峰高度預(yù)測(cè)值與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

線性預(yù)測(cè)明顯偏低，而二階校正值在許多情況下與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。然而，仍在陡峭波浪中發(fā)現(xiàn)了一些差異。特別是在距迎波側(cè)柱體幾米范圍內(nèi)，模型預(yù)測(cè)低于測(cè)量值，這被認(rèn)為是基本諧波放大預(yù)測(cè)不足所致。而在更遠(yuǎn)位置以及半潛船尾部柱體附近，則出現(xiàn)了二次諧波分量預(yù)測(cè)過(guò)高的現(xiàn)象。

描述了簡(jiǎn)化的甲板波浪沖擊載荷模型，該模型基于Kaplan方法（動(dòng)量守恒原理）和因船體結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的入射波的二階放大。計(jì)算得出隨時(shí)間變化的綜合載荷。由于采用了有效的附加質(zhì)量隨時(shí)間變化的近似計(jì)算方法，該方法運(yùn)行速度較快。結(jié)果顯示，與GBS平臺(tái)的甲板載荷測(cè)量值總體上吻合良好。

使用商用的Volume-of-Fluid方法進(jìn)行的全非線性建模初步研究取得了有前景的結(jié)果。所得波浪運(yùn)動(dòng)學(xué)和甲板載荷在合理范圍內(nèi)，盡管仍有改進(jìn)空間。由于邊界反射，大型數(shù)值波浪域與計(jì)算機(jī)性能之間的平衡目前是一個(gè)挑戰(zhàn)。

建議進(jìn)一步研究自由液面升高的解釋和實(shí)際應(yīng)用，尤其是在工程應(yīng)用中結(jié)果的穩(wěn)健性。建議對(duì)甲板波浪模型進(jìn)行更多驗(yàn)證案例，包括局部沖擊事件，并探討該方法的實(shí)用性。最后，建議在全非線性工具的使用和驗(yàn)證方面進(jìn)行更多工作，關(guān)注空間和時(shí)間分辨率的選擇以及適當(dāng)?shù)某跏己瓦吔鐥l件等重要問(wèn)題。

了解更多細(xì)節(jié)，可參考以下原文鏈接：

https://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/08/Extreme-Wave-Amplification-and-Impact-Loads-on-Offshore-Structures.pdf