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能源与动力工程

内孤立波对南海石油平台圆形桩柱的载荷研究及其风险防范

作者：蔡树群

出版社：科学出版社出版时间：2021-12-01

开本： 16开 页数： 148

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内孤立波对南海石油平台圆形桩柱的载荷研究及其风险防范版权信息

ISBN：9787030702234
条形码：9787030702234 ; 978-7-03-070223-4
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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能源与动力工程

内孤立波对南海石油平台圆形桩柱的载荷研究及其风险防范本书特色

适读人群：从事海洋内波研究及其海洋工程应用、海上航行等相关专业的科技人员本书是作者研究团队近20年来从事内孤立波载荷研究的成果，介绍了在南海进行内孤立波观测或预警的方法。这对于海上石油公司评估内孤立波的破坏作用、优化海洋石油平台的设计具有重要的应用参考价值。

内孤立波对南海石油平台圆形桩柱的载荷研究及其风险防范内容简介

内孤立波就是内波中的具有孤立波形态和性质的一种特殊波动，它通常是由于强的潮流在越过水下底地形变化陡峭的海山时所激发产生的波动振幅很大、流速很强、并沿着特定方向传播出去的强非线性内波。在内孤立波从生成源地向近海传播的过程中，其所产生的扰动可导致海面海水强烈辐聚和突发性的强流，对海洋石油钻井平台和海底石油管道会造成严重的威胁。南海北部是一个内孤立波生成和传播十分活跃的海区，因此，研究内孤立波对海上小直径桩柱的载荷，具有重要的物理海洋学意义和海洋工程应用价值。本书是根据本人所领导的研究团队在以往从事内孤立波对小直径圆形桩柱的载荷的理论分析和数值模拟研究成果所做出系统而完整的专门介绍。全书共分5章，第1章为引言；第2章介绍基于KdV方程的内孤立波载荷的计算理论及应用；第3章介绍大振幅内孤立波载荷的计算理论及应用；第4章介绍基于数值模拟的内孤立波载荷的计算方法，第5章主要介绍一些以往在南海的内孤立波观测方法及其风险防范措施。

内孤立波对南海石油平台圆形桩柱的载荷研究及其风险防范目录

目录
从书序
丛书前言
前言
第1章绪论 1
第2章基于KdV浅水理论方程的内孤立波载荷的计算理论及应用 6
2.1 计算理论 7
2.2 不考虑背景流的内孤立波载荷算例 14
2.3 考虑背景流的内孤立波载荷算例 26
2.4 内孤立波对圆形桩柱载荷的季节性变化 31
2.5 本章小结 40
第3章大振幅内孤立波载荷的计算理论及应用 41
3.1 大振幅内孤立波理论与实测结果的分析 42
3.1.1 MCC方程与KdV方程的导出 42
3.1.2 大振幅内孤立波的实测结果及其与KdV浅水理论解的比较分析 45
3.2 内孤立波波形、瞬时速度及加速度 46
3.2.1 不同内孤立波振幅下的波形 46
3.2.2 不同内孤立波振幅下的瞬时速度 47
3.2.3 不同内孤立波振幅下的加速度 49
3.3 内孤立波作用力与力矩 51
3.3.1 作用力 52
3.3.2 力矩 54
3.4 本章小结 56
第4章基于数值模拟的内孤立波载荷的计算 57
4.1 不考虑背景流的内孤立波对圆形桩柱载荷的研究 58
4.1.1 基于涡量-流函数形式的内孤立波数值模式的建立 58
4.1.2 不考虑背景流情形下基于数值模拟的内孤立波对圆形桩柱的载荷的计算实例 61
4.2 考虑背景流的内孤立波对圆形桩柱载荷的研究 72
4.2.1 张力腿平台（TLP）简介 74
4.2.2 IGW数值模式介绍 75
4.2.3 数值模拟试验的设计 77
4.2.4 模式有效性 80
4.2.5 无背景流时 82
4.2.6 背景流的影响 85
4.2.7 正压潮流强迫对作用力和力矩计算的敏感性 93
4.3 本章小结 94
第5章南海内孤立波的观测及其风险防范 96
5.1 海上内孤立波的观测方法 96
5.1.1 船舶定点观测 97
5.1.2 潜标、浮标定点观测 98
5.1.3 利用采样时间分辨率低的锚定观测海流数据提取内孤立波的*大波致流速 103
5.2 南海内孤立波的风险防范措施 111
5.3 本章小结 143
参考文献 144

展开全部

内孤立波对南海石油平台圆形桩柱的载荷研究及其风险防范节选

第1章绪论内孤立波是存在于海洋密度跃层附近的一种强非线性、振幅较大[约O（100m）的量级]的波动，它通常是在河口咸淡水交汇近岸区水体层结明显处或者在具有陡峭海底地形的深海区由于强大潮流（特别是往复式的潮流）经过后通过潮-地相互作用激发产生的。研究表明，内孤立波的形成动力机制有若干种，例如，哥伦比亚河口由于河口径流淡水舌与海水交接的河口锋面冲击而在密度跃层附近产生剧烈的斜压运动，从而形成稳定的具有孤立波性质的大振幅内孤立波（Nash & Moum，2005）；不过，海洋中*常见的内孤立波是往复的强大潮流流经海脊、海槛及陆架坡等一些变化较剧烈的崎岖地形时所形成的（图1.1）。这类潮-地相互作用（tide-topography interaction）图1.1 潮-地相互作用模型激发内孤立波示意图（Chen et al.，2017b）图中给出了半个潮周期T内每隔1/8潮周期的密度等值线（间隔为0.1kg/m3）和水平斜压速度（m/s）的变化机制下激发形成的内孤立波常有着接近潮信号的振荡行为，因此又可称之为潮致内孤立波（tidally induced internal solitary waves）。我们经常谈及的南海东北部典型的大振幅内孤立波即属于此类潮致内孤立波。为了简明起见，图 1.2给出了一种描述关于南海北部内孤立波从生成到消亡的生命周期各阶段典型动力行为变化过程（Laurent et al.，2011），可大致分成三个阶段：在生成阶段，来自太平洋的潮波在穿越吕宋海峡的海底双山脊时由于潮-地相互作用会首先形成内潮波束；在传播阶段，由于内潮波束从深海源地向西传播时会发生非线性陡化，从而产生速度约为3m/s，波形向下凹陷，具有穿越南海北部深海海盆能力的非线性内孤立波；在浅化（即向浅水传播）阶段，这些具有穿越南海北部深海海盆能力的非线性内孤立波由于南海北部陆架坡底地形变浅，受高阶非线性的作用而分裂产生内孤立波波包，并*终因海底地形的限制导致极性反转、波形向上抬升而*终耗散于浅海中。关于内孤立波特征、生成机制和传播演变规律的研究，我们在之前的研究（Cai et al.，2012；Chen et al.，2017b）中已经有不少介绍，在此不再赘述。图1.2 南海北部内孤立波生命周期各阶段的演变过程示意图南海北部之所以成为一个内孤立波活跃的海区（图1.3），与其具有天然独特的水动力背景密切相关。首先，南海北部的陆坡和陆架海域深受黑潮入侵和季风的影响，水团性质主要受南海海盆水和黑潮水（或称西北太平洋水）两大水系的支配，海水垂直层化显著且具有季节性变化；其次，吕宋海峡作为贯通西太平洋与南海水交换的重要通道（图1.4），海底地形变化剧烈，其间包括水下具有陡峭海槛的恒春海脊（台湾岛南端至吕宋岛北部陆架之间）和兰屿海脊，而吕宋海峡之间还分布着巴坦岛、萨布唐岛、加拉鄢岛、达卢皮里岛、富加岛等若干小岛屿，各个岛屿之间存在海底地形变化剧烈的峡道；*后，来自西太平洋的潮波从吕宋海峡传入南海时，潮能巨大，流速强。这三个要素导致内孤立波在南海北部频繁被激发且具有明显的潮周期变化特征。图1.3 南海内孤立波出现海区的分布示意图（Cai et al.，2012）图1.4 南海北部吕宋海峡附近底地形水深等值线（单位：m）及沿着21°N剖面的纵深示意图其实早在20世纪70年代，Fett和Rabe（1977）就从卫星图片中发现在南海东沙群岛附近存在着内孤立波，但当时并没有引起人们的重视。直到在海洋石油资源开发的过程中，人们才开始进一步领略到海洋内孤立波这种自然灾害的威力。这其中包括在缅甸海、南海东北部的石油勘探和开发过程中所遭受内孤立波破坏的若干实例（Osborne & Burch，1980；Ebbesmeyer et al.，1991；Bole et al.，1994）。这些经济方面的损失引起海上石油开发公司的关注和重视，于是内孤立波成为海洋科学家的研究热点。由于内孤立波对海洋工程结构物存在着潜在的威胁，关于它的载荷研究逐步引起人们的重视。尤云祥等（2003）曾通过波的入射、绕射势函数理论指出了层结海洋中大直径桩柱的表面波和内波所产生的波浪力差异，但是他们的研究缺乏海上实测数据的验证。蔡树群等（2002）及Cai等（2003；2006；2008b）引入了Morison的经验方法、内波模态分离法来估算实测得到的内孤立波波致流对小直径圆形桩柱的作用力，其估算结果表明，内孤立波波致流对小直径圆形桩柱的作用力比表面波的作用力要大10倍以上；若再考虑背景流，内孤立波波致流引起的载荷将相应增加。沈国光和叶春生（2005）应用内波垂向结构方程的模态分析方法计算了不同模态下的内孤立波载荷，结果表明内孤立波具有阵发性和与模态相关的剪切，其载荷较波导内波的情况大一个量级。魏岗等（2007）研究了分层流中内孤立波在潜浮式竖直薄板上的反射与透射问题，分析了内孤立波与薄板非线性相互作用的效应。Zhang和Li（2009）利用Morison的经验方法计算了内孤立波对海洋单柱式平台（Spar）和半潜平台的载荷。宋志军等（2010）建立了内孤立波作用下海洋单柱式平台运动响应的时域数值模型，表明当内孤立波不断接近平台时，平台受到的作用力随之增大并会产生远大于表面波作用下的水平位移。Chen等（2017a）利用实验室物理模型的试验和理论方法研究了内孤立波对海洋半潜平台的载荷。上述这些研究对于海上石油公司评估内孤立波的破坏作用，优化海上石油平台的设计具有重要的应用参考价值。为了简化问题，本书主要依据笔者的研究团队近20年来对内孤立波载荷研究的成果，仅对内孤立波波致流对小直径圆形桩柱载荷进行系统的总结，详细地介绍估算内孤立波对圆形桩柱的作用力和力矩的理论和数值模拟方法，*后介绍一些在南海进行内孤立波观测、预警或规避内孤立波袭击的方法。第2章基于KdV浅水理论方程的内孤立波载荷的计算理论及应用之前大多数海洋石油平台圆形桩柱的设计仅考虑表面波的载荷，却很少考虑内孤立波的作用；且早期因各种原因仅能获取内孤立波经过时的部分现场实测资料，难以估算内孤立波对圆形桩柱的载荷（图2.1）。图2.1 内孤立波对圆形桩柱作用力示意图基于有限的实测流速资料，我们首次提出内波模态分离法，利用Morison公式（Morison et al.，1950）来估算内孤立波对小直径圆形桩柱载荷的方法（蔡树群等，2002；Cai et al.，2003），其算法步骤大致如下：①将内波近似地表征为若干斜压模态波动之和；②若圆形桩柱半径小于等于内波波长的，则Morison公式有效；③利用实测的内波波致流，通过线性回归分析法求解内波各斜压模态的波致流及其加速度，据此估算内孤立波对圆形桩柱的作用力和力矩。下面做系统的介绍。本章的安排如下：在2.1节中基于KdV浅水理论方程详细地推导计算内孤立波对小直径圆形桩柱载荷的方法；在2.2节中给出利用南海东北部现场观测得到的内孤立波流速数据，在暂不考虑背景流情况下的内孤立波

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