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| 內容簡介： |
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结构物海上入水安装是海洋工程领域的重要研究方向，对保障大型海上结构的安全和高效运转具有重要意义。《海洋结构物吊装入水砰击动力学特性》系统阐述了海上入水安装的背景意义与方法，基于已有的吊装入水实验和数值研究介绍模型实验方法及数值模拟的基本原理；在此基础上，从模型实验和数值模拟两个角度，对涉及气、液两相流交界面变化的复杂结构物在静水与波浪条件下从接近水面、穿透水面到完全入水的全过程进行研究；深入探讨入水过程中的入水力与结构物运动变化，内容涵盖静水强迫入水、规则波吊装入水、不规则波吊装入水及不规则波悬停等内容；着重分析波浪吊装入水过程中缆绳张力的动态特性，为实际吊装入水作业的极限吊装速度与适宜海况的评估提供理论支撑。
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目录前言第1章 绪论 11.1 结构物海上安装研究背景 11.2 结构物海上安装方法综述 21.3 结构物吊装法安装研究意义 81.4 结构物吊装法安装研究概述 91.4.1 结构物吊装入水实验研究 91.4.2 结构物吊装入水数值研究 10本章参考文献 12第2章 结构物吊装入水模型实验 162.1 模型实验设计和原理 162.1.1 实验水池和结构物模型 162.1.2 相似准则及无量纲系数 192.2 模型实验工况设计 192.2.1 静水强迫入水实验工况设计 192.2.2 规则波吊装入水实验工况设计 202.2.3 不规则波吊装入水实验工况设计 202.3 模型实验布置 202.3.1 静水强迫入水实验布置 202.3.2 规则波吊装入水实验布置 212.3.3 不规则波吊装入水实验布置 222.4 本章小结 22本章参考文献 23第3章 结构物吊装作业数值方法 243.1 湍流模型 243.1.1 RANS湍流模型和数值计算方法 243.1.2 湍流封闭模型 253.2 刚体运动方程 263.3 流体体积函数法 283.3.1 流体体积函数法原理 283.3.2 自由液面波浪条件 293.4 计算域边界条件及壁面处理 303.4.1 边界条件的定义和性质 303.4.2 壁面处理和壁面距离 303.5 重叠网格和自适应网格细化技术 323.5.1 重叠网格 323.5.2 自适应网格细化技术 333.6 本章小结 36第4章 结构物静水强迫入水分析 374.1 强迫入水数值模型建立 374.1.1 数值研究方案 374.1.2 计算域与边界条件 384.1.3 网格设置与*立性检验 384.2 强迫入水数值模型验证 404.3 强迫入水数值结果分析 454.3.1 强迫入水砰击时刻 454.3.2 冲击持续时间及冲量 474.3.3 强迫入水垂向力估计 494.3.4 结构物动压力分布 514.4 本章小结 54本章参考文献 54第5章 结构物规则波吊装入水 565.1 规则波吊装入水数值模型建立 565.1.1 数值研究方案 565.1.2 计算域与边界条件 565.1.3 网格设置 575.2 规则波吊装入水数值模型验证 585.3 规则波吊装入水数值结果分析 605.3.1 规则波对结构物入水特征参数的影响 605.3.2 规则波对结构物运动的影响 665.3.3 规则波对缆绳拉力的动态影响 695.3.4 吊装入水作业极限海况的估计 795.4 本章小结 80本章参考文献 81第6章 结构物不规则波吊装入水 826.1 不规则波吊装入水数值模型验证 826.2 不规则波吊装入水数值结果分析 846.2.1 不规则波对结构物入水特征参数的影响 846.2.2 不规则波对结构物运动的影响 856.2.3 不规则波对缆绳拉力的动态影响 896.2.4 不规则波海况作业*少仿真次数确定 916.3 本章小结 93本章参考文献 93第7章 结构物不规则波悬停分析 947.1 不规则波悬停实验布置 947.2 不规则波悬停实验结果分析 977.2.1 悬停位置对相对力的影响 987.2.2 悬停位置对纵摇角和横摇角的影响 1007.2.3 相关参数的谱分析 1047.2.4 动态影响分析 1057.3 不规则波悬停数值模拟 1107.4 本章小结 112本章参考文献 113
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第1章绪论 1.1结构物海上安装研究背景 随着陆地资源越来越匮乏，开发深海油气资源的战略意义越来越引起人们的重视[1]。全球海洋油气储备丰富，大约占据全球油气资源总量的33%。我国海洋油气环境和资源都十分丰富，主要分布在南海海域和东海海域。科学家研究表明，南海地下石油数量可达21600～32400t。进入21世纪以来，我国石油化工经济日益增强，但过多开采使陆地石油资源变得逐渐紧缺，对国家发展的能源战略部署产生了影响，加大开发我国海洋石油资源的力度势在必行[2]。国家“十四五”规划中明确提出构建现代能源体系的目标，要加快对深海油气资源的开发和利用，加强对深海战略性资源和能源的掌握，对船舶与海洋工程装备以及深海油气开采作业安全操作等方面提出了更高的要求。随着我国在海洋油气资源勘探与开发领域的发展，水下生产设备逐渐向着自动化、深水化、大型化和智能化方向发展，对水下生产设备的相关研究具有重要意义[3，4]。 作为带动海洋工程大型装备设计和制造业发展的尖兵，深水工程船一直被视作国家在海洋油气资源开发与研究中的中坚力量。2015年海洋石油286深水工程船的问世，更标志着我国深水工程研究已经达到****水平。海洋石油286深水工程船作为中国**艘作业能力达3000m水深的海洋工程船舶，是专门用来开发和利用深海油气资源的高性能船舶，能够在多种气候条件下进行安全工程作业。图1.1为海洋石油286深水工程船的海上作业现场。图1.2为海洋石油286深水工程船配备的400t吊机，该吊机在国内同类设备中处于领先水平[5]。海洋石油286深水工程船承担了很多海洋工程作业任务，尤其是水下设备安装以及深水作业项目。然而海上作业环境一般都比较复杂，在作业时作业船舶在风、浪、流的耦合作用下会产生大幅度不规则的六自由度摇荡运动，并带动被吊结构物随船体产生剧烈的摇荡运动，很不利于海洋工程作业的安全进行，因此有必要对波浪作用下被吊物体下放通过波浪飞溅区时的受力和运动展开研究。 1.2结构物海上安装方法综述 用于海洋工程作业的水下生产设备的运输方式可以分为干式运输和湿式运输两种，如图1.3所示。在干式运输作业中，结构物被装载到一艘驳船、货船或重型起重船上。在湿式运输中，被运输的结构物在水面或者水下由一艘或多艘拖船拖到指定地点。使用干式或湿式运输主要取决于结构物的重量、运输设备的承载能力和运输的环境[7]。湿式运输水下生产设备的作业省去了在安装位置的入水过程，但仍需要在运输开始前进行吊装入水作业，以便将结构物与运输船连接。上层甲板、导管架、桩和水下生产设备等通常进行干式运输。半潜平台、重力基座平台、张力腿平台、立柱浮筒式平台和自升式钻井平台等可以湿式运输。相比于干式运输，湿式运输无须大甲板面积的运输船，而且结构物可以在近岸或海况较平缓的区域进行吊装入水作业。 结构物的海上安装受到安装水深、结构物形状和质量、海况等因素的影响较大，为保证安装过程中的安全性、稳定性和可行性，结构物海上安装方法和理论也日渐发展成熟。典型的结构物海上安装方法可分为吊装法、钻杆安装法、滑轮安装法、摆式安装法、铅笔式浮标法和湿拖安装法，下面对各种方法的原理进行简要概述。 1.吊装法 吊装法是利用起重船和船上配备的重型起重机通过钢性缆绳对结构物进行吊装下放，通常由辅助船将结构物运送到安装海域，由钢性缆绳连接吊臂和结构物，缓慢垂直下放至安装地点，如图1.4所示。该方法是*常见的结构物海上安装方法，其主要限制因素是吊车的能力和作业的可行性。该方法常适用于水深小于1000m的作业情形，对于水深要求更高的作业情形，起重船、缆绳和结构物之间的动态相互作用效应会更加明显，对起重船的动力定位、升沉补偿和吊机承载能力也有更高的要求，这类船的可用性和成本通常是规划海上安装作业时的主要考虑因素[9]。 2.钻杆安装法 钻杆安装法（drilling installation method，DIM）通常由驳船将结构物运输至半潜式钻井平台或钻井船月池下方并固定，利用钻杆抬升结构物，待驳船驶出后，续接多节钻杆使结构物逐渐下放至安装位置，如图1.5（a）所示[12]。该方法同样要求钻井设备具有动力定位和升沉补偿系统，钻杆的强度和长度决定了安装作业的最大水深。图1.5（b）为巴西国家石油公司在马利姆（Marlim）油田940m水深处安装MRL-5水下管汇时的现场作业情况[12]。该方法同样适用于作业水深小于1000m的情形，在进行安装时钻杆连接需要较长时间且钻井平台较起重船的使用费用更高，因此成本更高。 3.滑轮安装法 滑轮安装法（sheave installation method，SIM）示意图如图1.6所示[13]，在结构物上方安置一个滑轮，由半潜式平台和安装船的钢丝绳绕过滑轮以提供支撑力，实现结构物的下放。该方法可减小吊臂和钢丝绳的牵引力，满足较深水域的安装需要。下放过程由于受到风、浪、流等环境因素和船只运动的影响，通常需要另一艘安装船进行结构物的方向定位，避免结构物下放安装时由于环境载荷而发生剧烈的位置偏移。滑轮安装法的稳定性较高，在恶劣的海洋环境中有一定的稳定性，但其所需的设施较多，成本效益不高。 4.摆式安装法 摆式安装法（pendulous installation method，PIM）需要两艘安装船进行辅助安装作业，两艘船之间的距离约为缆绳长度的90%，示意图如图1.7所示[14]。与传统的直接垂直下放不同，摆式安装法中结构物在运输船上先由钢丝绳同绞车连接，另一端与安装船用缆绳连接，通过吊机将结构物潜入接近水面的深度，切断钢丝绳与绞车的连接，结构物在自身重力和海流阻力的影响下类似钟摆一样做缓慢下垂运动直至垂直接近海底，*后由安装船完成着床操作。摆式安装法的初次应用是2006年12月于巴西龙卡多尔（Roncador）油田1900m水深处安装200t的管汇结构物，该方法可应用于3000m以上的超深水海域。由于海流的阻力作用，该方法安装过程较平稳，但对海上安装协同作业能力要求较高。
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