【论文推荐】| 圆筒型平台月池结构特征与共振特性研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

月池是海洋工程结构物中一种通过底部开口与外海水域相连通的常见结构形式，主要为立管、施工装备及各类辅助器具的下放提供通道。然而，正是这种底部开放的结构特性，使得月池内部水体极易受到外界波浪的扰动。当入射波频率接近月池固有频率时，将诱发月池内部剧烈的共振现象，不仅会对平台结构和作业设备产生砰击载荷，还会削弱平台结构的整体稳定性，直接威胁平台与人员的海上作业安全。

长期以来，传统海洋结构物中的月池设计多采用矩形或圆形截面，国内外已有研究也主要集中于矩形、圆形以及阶梯形月池，而对其他不规则几何构型的探索相对有限，仅有少数文献涉及非常规月池形式对共振特性的影响。如何跳出"矩形—圆形"的传统设计框架，通过月池内部构型的主动优化来抑制水体共振，是一个兼具学术价值与工程意义的课题。针对这一研究局限，本文以深吃水圆筒型平台为研究对象，系统探究不同月池内部构型的波面抑制效果、池壁压力分布特征以及平台与月池的耦合运动特性，旨在为深吃水圆筒型平台的月池设计与性能优化提供科学依据与可参考的技术路径。

二、研究方法

本研究基于计算流体力学（CFD）原理，采用商业软件STAR-CCM+，借助重叠网格技术与并行计算方法，选用Realizable k-ε湍流模型求解雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，对规则波作用下圆筒式平台的运动响应和月池内部水体运动进行数值模拟。

研究设计了三种不同内部构型的月池，即在保证底部实用投影面积相同的前提下设置的矩形月池（Type1）、沙漏形月池（Type2）和菱形月池（Type3），三者共享一致的平台与月池主尺度参数（水线面直径80 m、吃水48 m、月池开口宽度16 m等），从而确保构型对比的有效性。计算域以平台重心为原点建立笛卡儿坐标系，水深恒定288 m，并按速度入口、压力出口、对称平面及无滑移壁面设置边界条件。

为保证数值结果的可靠性，研究开展了严格的三重验证：其一，通过三种网格方案的网格收敛性分析，优选出与理论值更吻合的Mesh2方案；其二，在Mesh2基础上进行时间步长无关性分析，确定兼顾精度与库朗数约束的Step2步长；其三，在海洋深水试验池完成缩尺比1∶60的模型试验，遵循几何相似与弗劳德相似定律，将数值计算结果与试验的垂荡幅值、月池内波面响应及波高升高比进行对比，确认了数值方法在模拟月池共振与平台运动方面具有较高准确性。在此基础上，进一步对比不同波浪频率下三种构型的响应幅值，并结合内部速度场、涡量场与压力场的变化特征剖析其水动力机理。

三、研究结果

数值结果表明，月池构型的优化能够有效降低共振频率处对应的波面响应幅值。在静止状态下，相较于矩形月池，沙漏形月池（Type2）使共振频率处的波面响应幅值降低了35.7%，且共振频率向高频偏移（由0.419 rad/s变为0.448 rad/s）；菱形月池（Type3）使波面响应幅值降低31.6%，共振频率变为0.405 rad/s；而在低频和高频范围内，三种构型的波面升高幅值相近，说明非共振频率下构型影响较小。时域与频谱分析显示，当入射波频率远离固有频率时月池内部波浪爬升呈现双峰特性，且矩形与沙漏形月池存在约为固有频率两倍的二次谐波响应，而菱形月池未观察到该频率，有助于缓解二次谐波共振。

速度与涡量场分析揭示了两种不同的抑制机制：沙漏形月池凭借中部转角阻挡流体运动，诱发局部涡旋并与自由液面相互作用、结合底部涡旋耗散能量；菱形月池则借助底部内倾式开口阻挡流体外流，在切口处产生大范围速度突变与高强度涡旋脱落，进一步促进波浪能量耗散。

池壁压力方面，月池活塞共振时池壁压力以流体静压力为主，矩形月池受力均匀，而沙漏形与菱形月池在吃水高度（48 m）特征平面处分别因自由液面的"中垂"与"中拱"现象呈现出不同的压力分布差异。在运动耦合方面，平台运动使月池频谱出现双峰特性，表明平台与月池水体存在强耦合关系；运动工况下，Type1、Type3构型的波面响应较静止状态进一步降低（归一化幅值分别降低5.2%和14.0%），而Type2反而增加19.2%，且Type3相对Type1的共振响应幅值降低达33.8%；构型对垂荡响应影响有限，但对纵摇响应影响显著，其中Type3可使纵摇幅值较Type1降低9.2%，抑制效果最为突出。

四、研究结论

基于CFD数值模拟方法，通过改变月池内部构型对静止和运动状态下的月池内流体运动情况展开研究。在保证月池底部投影面积相同的前提下，沙漏形月池和菱形月池分别通过中部转角和增加月池内部空间来减小月池内流体运动响应。同时探究了月池池壁压力和平台运动性能的变化，分析了不同构型下的月池内水体运动规律和平台运动响应，得到结论如下： 

1）在静止状态下，月池构型的变化能够有效降低共振频率所对应的波面响应幅值，沙漏形（Type2）和菱形（Type3）月池分别使月池内波面幅值降低35.7%和31.6%。 

2）不同构型月池表现出不同的抑制方法，Type2构型通过中部转角阻挡流体运动，诱发涡旋与自由液面相互作用实现能量耗散；Type3构型则通过底部内倾开口阻挡流体外流，从而产生较大涡旋脱落促使能量耗散。 

3）月池活塞共振时，其池壁压力以静压为主，其中Type1构型受力均匀，Type2和Type3构型则在自由液面附近产生中垂和中拱现象。

4）平台运动引起月池频谱出现双峰特性，表明平台与月池水体存在强耦合特性。在运动状态下，Type1、Type3构型的月池内波面响应较静止状态进一步降低，而Type2构型则相对增加。综合分析表明，Type3构型拥有更好的波面抑制性能。

5）在运动状态下，月池构型对垂荡响应影响相对有限，但对纵摇响应影响更为显著。综合月池内部波浪爬升的抑制效果以及平台运动情况，Type3构型拥有更好的抑制性能。

相关图表

本文引用格式：朱高平, 吕海宁, 秦睿. 圆筒型平台月池结构特征与共振特性研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 115-127.  (ZHU Gaoping, LYU Haining, QIN Rui. Structural characteristics and resonance properties of cylindrical platform moonpools[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 115-127.  (in Chinese)）

通信作者简介：吕海宁   

吕海宁，博士，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院研究员。1997年9月至2001年8月获上海交通大学船舶与海洋工程学士学位，2001年9月至2003年3月获同校硕士学位，2003年4月至2007年3月获船舶与海洋结构物设计制造专业博士学位。2007年4月起任职于上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，历任讲师、副教授，2024年1月晋升研究员。2014年7月至12月在英国纽卡斯尔大学海洋科学与技术学院担任访问学者。

主要从事深海矿产资源开发技术与装备、海洋工程水动力学与实验技术研究。主持国家重点研发计划课题"新型深水多功能干树半潜平台关键技术研究"、国家自然科学基金项目"Spar平台涡激运动关键特性研究"，参与国家863计划重大项目"深水油气开发工程试验技术"等。在《Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering》等期刊发表学术论文多篇，拥有"适用于浮托安装模型试验的桩腿对接单元装置"等发明专利。作为主要完成人，获国家科技进步二等奖1次，上海市科技进步一等奖2次，先后获得上海市东方英才青年项目、上海市研究生优秀成果奖、上海交通大学晨星青年学者奖励计划一等奖，被评为上海交通大学唐立新教学名师奖、教书育人三等奖和实验室先进工作者，作为指导教师，获得全国航行器设计与制作大赛一等奖2次。

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