， ，

(江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

在國內(nèi)，姜勝超等[8]針對波浪作用下的四柱結(jié)構(gòu)近場干涉問題進行研究，應(yīng)用勢流理論對其現(xiàn)象與機理進行分析，揭示圓柱結(jié)構(gòu)周圍的波高變化對入射頻率的依賴關(guān)系。張磊等[9]以深吃水多立柱平臺為研究對象，基于繞射和輻射勢流理論，對比分析不同浪向下繞射和輻射波面的變化規(guī)律和平臺結(jié)構(gòu)形式對波浪高程的影響，結(jié)果表明：由于平臺為多立柱結(jié)構(gòu)，使得繞射和輻射波發(fā)生強烈的近場干涉效應(yīng)，局部波面放大。在特定海況條件下，繞射和輻射效應(yīng)使得總波面高程增大。蔣安等[10-11]采用勢流理論的方法對波浪作用下的半潛式平臺周圍近場干涉問題進行預(yù)報，結(jié)果表明：前后立柱的最大波面爬升并不發(fā)生于迎浪點和背浪點，而在其兩側(cè)，干涉現(xiàn)象發(fā)生時，并不是所有位置點都有很大的波面升高，而是在特定點產(chǎn)生局部極大值。單鐵兵[12]在上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室對一座半潛式平臺模型進行一系列的試驗研究，分析不同立柱間距波長比、入射波陡參數(shù)和波浪散射參數(shù)等對立柱之間水動力干擾的影響，重點考察前、后立柱周圍的非線性水動力干擾對波面分布的影響，并探索了柱群發(fā)生近場干涉現(xiàn)象時波動場的分布特征，試圖揭示該現(xiàn)象的作用機理。

本文采用計算流體力學(xué)軟件FINE/Marine，結(jié)合自編程后處理軟件開展半潛式平臺近場干涉數(shù)值模擬計算，并對不同波浪要素(入射波高、周期、浪向角)以及3種平臺模式對平臺四立柱間近場干涉影響進行研究。

1 計算模型

1.1 計算模型和網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks軟件完成半潛式平臺三維建模，導(dǎo)入Hexpress軟件進行網(wǎng)格劃分。建立1個長415 m(約5L，L為平臺長度)，寬230 m(約3L)，高90 m(約1L)的方形計算域，平臺所處位置距入口處約3L，距兩側(cè)約L，距頂部約0.5L。對半潛式平臺附件及自由液面進行局部加密處理。半潛式平臺三維模型與平臺表面網(wǎng)格劃分如圖1所示。半潛式平臺的主要參數(shù)見表1。

圖1 計算模型與模型表面網(wǎng)格

表1 半潛式平臺主要參數(shù)

1.2 半潛式平臺計算工況和系泊系統(tǒng)

圖2 懸鏈線的設(shè)定示意圖

半潛式平臺近場干涉問題包含入射波、反射波、輻射波的疊加，流場較為復(fù)雜，本文采用控制變量的方法研究半潛式平臺近場干涉問題： (1)不考慮輻射波的平臺固定模式。(2)半潛式平臺垂向3個自由度約束強弱對近場干涉的影響，自由模式(約束弱)與系泊模式(約束強)。

規(guī)則波只存在1個主頻，方便描述近場干涉在某一頻率范圍的發(fā)生機理。本文選取規(guī)則波工況，波高H取8 m、10 m，周期T取8 s、10 s，規(guī)則波環(huán)境條件選取見表2。

表2 規(guī)則波環(huán)境條件

系泊系統(tǒng)采用8根錨鏈線，每個立柱的拐角處分別布置2根。圖2為系泊系統(tǒng)分析中使用的坐標系以及錨鏈線編號，半潛式平臺懸鏈線的屬性見表3。

表3 半潛式平臺懸鏈線屬性

1.3 近場干涉觀測點選取

半潛式平臺近場干涉主要發(fā)生在平臺4根立柱所圍成的內(nèi)部區(qū)域，在4根立柱形成的范圍內(nèi)均勻地布置25個觀測點，每2個觀測點間隔約8 m。半潛式平臺近場干涉觀測點布置如圖3所示，當(dāng)浪向角β=0°時，沿波浪傳播的方向(波向線)布置F、I、J、K、L 5組觀測點，沿垂直波浪傳播方向(波峰線)布置A、B、C、D、E 5組觀測點。

圖3 半潛式平臺近場干涉觀測點布置

2 計算結(jié)果與分析

計算結(jié)果采用無量綱參數(shù)進行分析，定義Ai/(H/2)為無因次化的波面升高，即比波高，即無因次波浪爬升，其中Ai為波面升高幅度，H為入射波高。不規(guī)則波采用譜能(本文中“譜能”指波浪譜的勢能，不計動能)進行分析，觀測點譜能的大小等于觀測點波面升高幅度的平方。

2.1 半潛式平臺4根立柱內(nèi)波浪演化規(guī)律

以半潛式平臺固定模式下波浪入射角0°、H=10 m、T=8.0 s為例進行分析。圖4為4立柱內(nèi)場波浪沿入射波傳播方向和垂直于入射波浪傳播方向的分布規(guī)律，可以看出：波面升高沿波浪傳播方向(波向線)呈現(xiàn)“W”趨勢，垂直于波浪傳播方向分布情況較為復(fù)雜，波峰線出現(xiàn)彎曲，由遠場的二維波發(fā)生為三維波。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因為：(1)入射波沿波浪傳播方向經(jīng)過一、三和二、四號立柱時，受到立柱的擠壓作用，立柱內(nèi)側(cè)的波面抬升，因此2個端部的平均波高增量較大。(2)入射波的波長與平臺主尺度相近，入射波與二號、四號立柱的反射波在4根立柱中心區(qū)域匯聚疊加，出現(xiàn)一個較大的波面抬升，形成“W型”的中間高點。(3)從“ROW F”曲線的特征可以看出：流體受到擠壓，流速增加，其中中間點流速最大，流速大的地方壓強較小，因此波峰線在中間點出現(xiàn)下凹。(4)從“ROW J”曲線可以看出入射波與反射波疊加最強的位置為4根立柱的幾何中心點。

圖4 波面升高沿平臺長度和寬度方向變化曲線

2.2 半潛式平臺四立柱間波面分布規(guī)律

圖5為半潛式平臺在固定模式下4根立柱間波面分布云圖，分布云圖代表的是觀測點的波面升高極大值，并不是代表某一時刻平臺內(nèi)場的波面情況。從圖5中可以看出：(1)浪向角對平臺近場干涉效應(yīng)有一定影響，浪向角β=0°和β=90°時，平臺水下部分具有良好的對稱性，平臺內(nèi)場波面關(guān)于波浪傳播方向的中性軸呈對稱分布。浪向角β=0°時，波面匯聚的峰值點位于4根立柱幾何中心；浪向角β=90°時，波面匯聚的峰值點后移至后方兩立柱的前緣中心位置；浪向角β=45°波面呈非對稱分布，下浮體所處位置附近的波面升高普遍大于無下浮體的位置。由此可見，下浮體對流體的阻塞效應(yīng)，直接影響4根立柱內(nèi)場干涉。(2)浪向角β=0°和β=90°時，入射波浪爬升效應(yīng)，在前立柱迎浪面附近波浪爬升較大。在前立柱后緣內(nèi)側(cè)波面升高值較小，由于流體繞過立柱在此出現(xiàn)分離現(xiàn)象，形成漩渦，波浪能量較低。平臺中心對稱軸處波面升高達到一個峰值(下浮體和4根立柱內(nèi)緣的反射波與入射波在此交匯，交匯位置與入射波波浪周期有關(guān))。后立柱前緣內(nèi)側(cè)波面升高較大，是由于入射波浪沿立柱表面爬升所致。由于前立柱的遮蔽效應(yīng)，后立柱前的波浪升高小于前立柱迎浪面。后立柱后緣波面升高普遍較低，波浪傳播過程中能量不斷減小。(3)浪向角β=45°在平臺中心對稱軸處并沒有出現(xiàn)峰值，而出現(xiàn)了低壓區(qū)。這是由于迎浪面立柱和下浮體的阻塞效應(yīng)較為嚴重，在立柱后緣形成渦流，出現(xiàn)低壓區(qū)，波浪沿后立柱迎浪面爬升，在此出現(xiàn)較大的波面抬升。

圖5 平臺固定模式下波面分布云圖

2.3 不同約束模式對半潛式平臺近場干涉的影響

以入射角0°、H=10 m、T=8.0 s為例，計算得3種約束模型下半潛式平臺4根立柱間波面分布云圖，如圖6所示。表4為不同模式下最大波面升高及相應(yīng)的觀測點編號。從圖6和表4中可以看出：相同入射波浪條件下，浪向角β=0°、β=90°時，波面升高最大值都出現(xiàn)在平臺的中心位置處(觀測點52號)；浪向角β=45°時，波面升高最大值出現(xiàn)在4號立柱內(nèi)側(cè)區(qū)域(觀測點64號)；浪向角β=45°時，內(nèi)場波面升高比其他浪向角大，近場干涉現(xiàn)象較為明顯，最大波面升高可以達到入射波高的2.57倍。

圖6 平臺3種模式下波面分布云圖

表4 平臺3種模式下波面升高

入射波浪傳播過程中不同時刻半潛式平臺4根立柱結(jié)構(gòu)和下浮體之間存在的水動力干擾不同，內(nèi)場波面分布情況不同，所對應(yīng)的平臺4根立柱間近場干涉現(xiàn)象也不同。圖7為某一時刻不同浪向角下半潛式平臺4根立柱間內(nèi)場波面分布云圖，可以看出：入射波浪傳播到4根立柱中部時，平臺4根立柱結(jié)構(gòu)和下浮體之間會存在明顯近場干涉現(xiàn)象；出現(xiàn)近場干涉時，入射波波能不斷向平臺4根立柱的內(nèi)側(cè)聚集，而且入射波浪、遇立柱和下浮體產(chǎn)生的反射波浪與平臺自身運動產(chǎn)生的輻射波浪在平臺內(nèi)場疊加較為頻繁，波面分布極為復(fù)雜；不同浪向角對平臺近場干涉效應(yīng)的影響也不同，浪向角β為0°和90°時，平臺內(nèi)場波面分布規(guī)律相似，而浪向角β=45°時略有不同，這是由于入射波浪向前傳播過程中受到下浮體和橫撐阻礙較為嚴重。

圖7 平臺4根立柱間內(nèi)場波面分布云圖

3 結(jié) 論

(1) 平臺4根根立柱間內(nèi)場發(fā)生干涉后，波峰線出現(xiàn)彎曲，沿波浪傳播方向出現(xiàn)峰谷值不對稱的現(xiàn)象。

(2) 波浪入射角對平臺近場干涉效應(yīng)有一定影響，浪向角β=45°較浪向角β=0°和β=90°的近場干涉現(xiàn)象更為明顯，波面升高極大值主要出現(xiàn)在平臺中心位置附近和后立柱內(nèi)側(cè)區(qū)域。

(3) 周期較小時，入射波、反射波、繞射波與結(jié)構(gòu)運動的輻射波疊加較為頻繁，觀測點最大波面升高較大；周期較大時，對近場干涉現(xiàn)象影響較小。

(4) 不同模式平臺內(nèi)場波面分布規(guī)律相似，近場干涉所引起波面升高所對應(yīng)位置比較接近，但是系泊模式和自由模式比固定模式近場干涉引起的內(nèi)場波面升高大。

(5) 近場干涉現(xiàn)象發(fā)生于4根立柱和下浮體間，自由液面波面升高并不是出現(xiàn)在內(nèi)場區(qū)域所有的觀測點，而是在平臺內(nèi)場局部出現(xiàn)波面升高極大值。

波浪近場干涉現(xiàn)象在半潛式平臺周圍的確存在，最大波面升高可以達到入射波高的2.57倍，較大的波面升高會引起平臺結(jié)構(gòu)受到波浪非線性砰擊、飛濺以及甲板上浪現(xiàn)象的概率將會增加，導(dǎo)致平臺甲板結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備的破壞從而威脅到平臺的安全性能，所以半潛式平臺的波浪近場干涉現(xiàn)象須予以關(guān)注。

[ 1 ] SIMON M.MultipleScattering in Arrays of Axisymmetric Wave-Energy Devies(Part 1): A Matrix Method Using A Plane-Wave Approximation[J]. J. Fluid Mech,1982, 120(120): 1-25.

[ 2 ] MANIAR H D, NEWMAN J N. Wave Diffraction by a Long Array of Cylinders[J]. J. Fluid Mech,1997, 339(339): 309-330.

[ 3 ] EVENS D V, PORTER R. Trapped Modes about Multiple Cylinders in a Channel [J]. J. Fluid Mech, 1997, 339(339): 331-356.

[ 4 ] EVANS D V, PORTER R. Trapping and Near-Trapping by Arrays of Cylinders in Waves[J]. Journal of Engineering Mathematics, 1999, 35(1-2): 149-179.

[ 5 ] PORTER R, EVENS D V. Rayleigh-Bloch Surface Waves along Periodic Gratings and Their Connection with Trapped Modes in Waveguides [J]. J. Fluid Mech, 1999, 386(386)：233-258.

[ 6 ] MALENICA S. Second Order Interaction of Water Waves with Arrays of Vertical Cylinders[C]// Proc 2nd Congress of Croatian Society of Mechanics, 1997.

[ 7 ] OHL C O G, TAYLOR R H, TAYLOR R E, et al.Water Wave Diffraction by a Cylinder Array (Part 2): Regular Waves[J]. J. Fluid Mech, 2001, 442(442): 33-66.

[ 8 ] 姜勝超 ,呂林, 滕斌, 等. 四柱結(jié)構(gòu)在波浪作用下的近場干涉[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2011,32 (05): 546-554.

[ 9 ] 張磊 ,李彬彬, 歐進萍.深吃水平臺立柱周圍的繞射和輻射波浪高程數(shù)值模擬[C]//第十一屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議, 2012.

[10] 蔣安 ,汪學(xué)鋒, 李欣.波浪作用下半潛平臺近場干涉問題的研究[J]. 中國海洋平臺, 2013(06): 38-44.

[11] 蔣安.半潛式平臺二階氣隙及近場干涉問題的研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2012.

[12] 單鐵兵.波浪爬升的機理性探索和半潛式平臺氣隙響應(yīng)的關(guān)鍵特性研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2013.