Исследование воздействия волн на большие плавучие сооружения

Создаются искусственные острова для промышленных объектов, плавучих городов, аэродромов и пр.;
Осваиваются нефтепромыслы на больших глубинах;
Создаются новые волновые электростанции, использующие экологически – чистые источники энергии.
Проблема волновых нагрузок при проектировании новых морских объектов
Актуальность диссертационной работы
Проблема создания концентраторов волновой энергии

Цель работы
Цель: исследование воздействий волн на большие плавучие гидротехнические сооружения, выбор форм сооружений.
Выбор темы работы объясняется тем, что влияние нагрузок со стороны моря на стационарные прибрежные объекты изучены достаточно глубоко и подробно. Что касается нефтедобывающих сооружений на континентальном шельфе, искусственных островов (начавшим свое развитие относительно недавно), то можно сказать о недостаточной проработке проблемы их взаимодействия с волнением.

Задачи работы
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) Разработка расчётных моделей.
2) Исследование взаимодействия сооружений с волнением при различной осадке, высоте надводного борта и форме борта. Оценка возможности слеминга и заливания.
3) Анализ результатов и выбор формы сооружений.

Конструктивные элементы плавучих буровых установок:
а) - ППБУ; б) - СПБУ
1 - буровая вышка;
2 - вертолетная площадка;
3 - жилой блок (жилой модуль);
4 - функциональный блок (функциональный модуль);
5 - корпус, «верхнее строение» для СПБУ применяют название «понтон»;
6 - стабилизирующая колон­на;
7 - якорная связь;
8 - водоизмещающий понтон (иногда называют «нижний понтон»);
9 - решетка;
10 - буровая колонна;
11 - опорная колонна.

Города-острова LilyPad
Винсент Каллебот (Vincent Callebaut) спроектировал гигантские города-острова, на которых люди смогут выжить в случае всемирного потопа.
Проект New Orleans Arcology Habitat
Кевин Шопфер придумал необычную концепцию экологичного существования для Нового Орлеана.
Проекты плавучих городов

Искусственные острова
Международный аэропорт Кансай
Искусственный архипелаг The World
Пальмовые острова

Наиболее распространённой задачей вычислительной гидродинамики является численное решение уравнений Навье-Стокса (1)и уравнения неразрывности (2).
(1)
(2)
Расчётные алгоритмы FLOW-3D основаны на применении метода конечных разностей (МКР) и его разновидности – метода конечных объёмов.

Построение модели волнопродуктора
Движение волн моделируется условным волнопродуктором путём задания переменных скоростей движения жидкости на левой границе сетки:
,
где Vx – амплитуда скорости движения волнопродуктора.
В работе моделируются волнопродукторы с различными параметрами волнения:
2) Длина волны λ=18 м, максимальная высота волны h =1,5 м,
круговая частота
(при периоде волн τ = 3,6 с).
1) Длина волны λ=100 м, максимальная высота волны h =5,4 м,
круговая частота
(при периоде волн τ = 8 с).

Расчетная модель
При численном моделировании использована двумерная модель в натуральную величину. Сечение сооружения - в виде преграды на пути волнения.
Жидкость невязкая, несжимаемая. Влиянием воздуха пренебрегается. Силы тяжести учитываются заданием гравитационной постоянной.
Граничные условия:
x = -100 м – переменные скорости жидкости (условный волнопродуктор);
x = 100 м – условие отсутствия движения;
y = 0 м; y = 1 м – условия симметрии;
z = 0 м – твёрдое дно;
z = 10 м – условие продолжения.

Расчётная сетка: 300 х 30 ячеек. Так как движение нестационарное, при расчёте выполняется численное интегрирование уравнений движения по времени с автоматической адаптацией шага.

Проведён анализ различных вариантов конструкций и параметров волн.
Варианты конструкций:
вертикальная стенка;
откосная стенка;
стенка с парапетом (волноотбойником) – для предотвращения заливания палубы;
стенка с подводным выступом –
для предотвращения днищевого слеминга;
с отверстиями между бортом и днищем – для уменьшения ударных давлений.

Пример моделирования заливания палубы:
Смоделированное поперечное сечение сооружения имеет размеры: высота борта - 8 м, осадка – 5 м, длина – 21 м. Длина волны - 100 м.
Анализ гидродинамики

Чтобы предотвратить заливания палубы необходимо увеличить высоту надводного борта или предусмотреть парапет (максимальный надводный борт - 13 м)
Гидродинамика модели с волноотбойником

Гидродинамика модели с отверстиями, которые принимают часть волнового потока на себя.

Пример формы, обеспечивающей отсутствие заливания палубы и пониженные давления на борт:
Гидродинамика модели сложной формы

Результаты расчетов моделей при длине волны λ=18 м
Смоделированное сечение имеет размеры:
высота борта - 3,5 м, осадка – 0,5 м.
Гидродинамика с взбросом волны у вертикальной стенки

Осадка модели – 1 м, высота борта – 4 м.
Гидродинамика модели с подводным выступом для предотвращения днищевого слеминга и наклонной стенкой для уменьшения взброса.

Недостаточная высота надводного борта (2 м) ведет к заливаемости палубы, Такие параметры сооружения позволяют избежать слеминга. Давление на стенку меньше, чем у конструкции с откосной стенкой.

Выводы, основные результаты работы
1 Высота и форма борта сооружений существенно влияет на заливание палубы. Применение конструкции с наклонным бортом позволяет существенным образом снизить заливаемость.
Такая форма в отличие от прямого борта препятствует взбросу волны и уменьшает давление на стенку в 2,3 раза.
2 Заливаемости палубы практически не происходит при отношении высоты борта к высоте волне.
3 При недостаточной осадке происходит слеминг – удар волны о днище. Это явление начинает появляться при отношении осадки к высоте волны
4 Для предотвращения слеминга был предложен вариант с откосной стенкой. Эффективность такой формы борта повышается с увеличением прочности конструкции. Необходимо также отметить, что такая форма также уменьшает заливание палубы.