基于解析解的系泊浮式风机基础水动力快速近似方法的研究与应用
摘要
浮式风机长期暴露在风、浪、流等恶劣环境载荷下，其中大幅慢漂运动一直是海
洋工程研究的重点问题。在系泊浮式风机中，水平方向恢复力靠系泊系统来提供，二
阶差频波浪载荷会激发系泊浮式风机的大幅慢漂运动，为研究浮式风机的运动特性并
保证系泊安全，需关注其二阶差频波浪力。在浮式风机工业设计中，进行浮体水动力
特性数值仿真的势流商业软件大多是基于面元法，仿真所需时间与网格数的平方或三
次方相关，且二阶差频激励力的计算比一阶波浪激励力更为复杂。在工程设计初期，
结构参数优化使设计过程更加繁琐耗时。因此，对浮式风机的差频激励力进行更加快
速地预报，成为了一项具有重要意义的研究内容。
目前浮式风机基础可简化成圆柱形、方形等几何结构的拼接。本文在势流理论的
框架下，通过几何近似方法快速求解浮式基础的水动力特性。该方法将浮式基础分为
圆柱阵列和浸没矩形浮筒两大类。对圆柱阵列使用以Linton的圆柱阵列线性理论以及
其二阶推广理论来进行水动力解析计算，并使用Green公式和Haskind关系，将二阶绕
射势转化为物面以及自由表面上的积分，间接求解二阶问题。对于矩形浮筒，使用解
析解以及相关经验公式来进行求解。通过线性叠加来得到整体风机基础的水动力结果。
本文以Spar柱式和三立柱半潜式风机基础为研究对象，以MIT开发的Fortran程
序Swim来实现几何近似方法的计算，并通过频率等分法来进行随机海浪模拟以及差频
激励力时历的求解，最终耦合MatthewHall开发的Moordyn程序对系泊恢复力进行计
算，以此完成慢漂运动频域以及时域分析的高效快速求解器。使用几何近似方法分析
了一次传递函数（RAO）、二次传递函数（QTF）、不规则波下大幅慢漂运动时历、缆
索张力时历，以及其统计分析和短期极值预报结果，并与商业软件HydroD和Aqwa的
频域和时域结果进行对比分析，验证本文几何近似解析方法的快速性以及适用性。
关键词：浮式风机；截断柱群；几何近似方法；二阶力；慢漂运动
基于解析解的系泊浮式风机基础水动力快速近似方法的研究与应用
Abstract
Floatingfanshavebeenexposedtoharshenvironmentalloadssuchaswind,waves,and
currentsforalongtime,andthesignificantslowdriftmotionhasalwaysbeenakeyissuein
marineengineeringresearch.Inmooredfloatingfans,thehorizontalrestoringforceisprovided
bythemooringsystem,andsecond-orderdifferentialwaveloadscanstimulatethelargeslow
driftmotionofmooredfloatingfans.Tostudythemotioncharacteristicsoffloatingfansand
ensuremooringsafety,attentionshouldbepaidtotheirsecond-orderdifferentialwaveforces.
Intheindustrialdesignoffloatingfans,mostofthepotentialflowcommercialsoftwarefor
numericalsimulationofhydrodynamiccharacteristicsoffloatingbodiesisbasedonpanel
method.Thetimerequiredforsimulationisrelatedtothesquareorthirdpowerofthenumber
ofgrids,and