海洋工程学科前沿讲座

学科前沿讲座一、海洋工程学科的战略地位海洋面积大约占地球表面积的70％，水量约占地球上总水量的97%左右，蕴藏丰富的资源，具有重要的战略价值。面对目前世界人口急剧膨胀、陆地资源日益枯竭、环境不断恶化这三大问题，人类把未来发展的希望寄托于尚未得到充分开发的海洋。世界各国纷纷将开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的重要战略举措，并把21世纪称为海洋资源开发的新世纪。目前人类开发的海洋资源主要包括：油气资源，空间资源，矿产资源，生物资源，绿色能源，旅游资源等。我国海洋战略发展的三大目标：2020年前：逐步拓展到全部领海和经济专属区；2030年前后，逐步拓展到西太平洋和印度洋；2050年前后，拓展到全球公海。我国的大陆岸线长18000多千米，加上岛屿岸线14000千米，海岸线总长居世界第四，大陆架面积130万平方千米，位居世界第五，200海里水域面积200～300万平方千米，居世界第十。开发海洋已经形成了多产业组成的海洋经济体系，海洋资源的进一步发现、开发和利用，对于我国的长期可持续发展，具有越来越重要的战略意义。海洋工程学科的技术支撑作用：支撑海洋开发装备的研制、开发及技术的持续进步。装备：深海油气资源勘探、开发、施工、运输等的海洋工程大型装备、深海工程装备、用以资源运输、海洋空间利用和开发支持的新型船舶和浮体。海洋工程学科的核心任务：是针对海洋资源开发、利用、保护中的重大工程技术开展研究，解决关键科学问题，并从应用中发现规律，更深层次地揭示海洋工程中的客观现象和规律，促进海洋工程与相关学科的发展，使海洋工程的基础理论与关键技术在国家海洋开发的重大工程建设中发挥重要作用。海洋工程学科的战略地位体现在三个方面：（1）支撑海洋油气资源开发、维护国家能源安全我国拥有300万平方公里海疆，油气资源十分丰富。其中南海探明的油气资源大约为400亿吨。我国深海技术落后，与国外差距很大，不具备深海装备的研究制造安装能力。（2）为船舶工业提供关键技术支持海洋工程科学研究的成果最终将通过船舶工业转化为具体的大型装备和生产力。其研发的海洋工程开发装备等是船舶工业的重要高端产品之一。（3）为国防安全保障作出贡献研究中的美国海军移动基地(VLFS)英尺3507504500捍卫国家主权尊严、海洋权益和资源、维护领土完整。1）南海石油被盗采2）海上运输通道：马六甲海峡3）南海海洋权益受到侵犯和挑战4）祖国尚未统一“奥德赛”号发射平台，由钻井平台改装的发射场，航行速度22公里/小时。“奥德赛”的顶部甲板长131米,宽67米,排水量3万吨;进入发射位置后,浮筒中灌入大量海水,排水量也会达到4.6万吨,可以确保发射时的稳定性。二、海洋工程的前沿技术问题海洋油气资源开发、海洋空间利用、船舶与海洋工程制造工程实际提出了一系列的重大科学技术问题：（1）海洋资源开发装备●新概念海洋工程结构物研究开发技术新概念海洋平台开发；边际油田开发技术；新型特种海上工作船研制关键技术；天然气水合物勘探开发技术；海上风能、波浪能、潮汐能、温差能等新型海洋能源利用技术与装备；海水、矿产、生物等海洋资源利用技术与装备开发；超大型浮式海洋结构物、超大型储油装置等。图半潜式风电基础波浪发电装置五万吨级渤海友谊号FPSO二、海洋工程的前沿技术问题●深海平台关键技术新概念深海平台、半潜式平台、立柱式平台（SPAR）、张力腿平台（TLP）、深海平台定位系统和立管系统、深海平台海上运输与安装关键技术。半潜式平台张力腿平台立柱式平台（SPAR）二、海洋工程的前沿技术问题●浮式生产储卸油系统（FPSO）关键技术新型FPSO、单点系泊系统、浅水FPSO系统、新型FLNG系统、新型FDPSO系统、FPSO/FLNG柔性连接输油系统关键技术。●深海装备的海上安装技术海上运输或拖航、平台主体安装、平台上部模块安装、深海系泊系统安装、立管系统安装、水下生产系统安装关键技术等。Spar湿拖运输TLP与FPSO联合生产系统二、海洋工程的前沿技术问题（2）海洋管线与立管●海洋管线与立管设计技术海洋管线、立管的设计技术；海洋管线和立管在油气生产输送系统中的关键技术；海洋管线和立管在钻探系统中的关键技术等。●海洋管线与立管所受环境载荷海洋流和波浪对管线和立管的非线性载荷作用；水面结构物与管线和立管的耦合运动效应；海底环境对管线和立管的非线性载荷作用；极端海洋环境条件下管线和立管所受环境载荷分析等。●立管系统安装墨西哥湾水下立管布置照光处为吸油装置采油立管TLP立管(3)系泊系统●单点系泊系统单点系泊系统与立管布置形式的设计；单点系泊系统的动态运动稳定性问题；转塔位置对单点系泊系统风标效应的影响；单点系泊系统水平回复特性的研究；单点系泊系统水平运动慢漂阻尼的研究；●深海多点系泊系统深海系泊系统阻尼、动载荷等动力响应机理；深海锚泊定位与动力定位等不同定位模式间的配合；深海系泊系统形式的选择与布置形式；深海系泊缆组成成分与材料的确定；深海内波、极大波等非线性海洋环境载荷对系泊系统动力响应特性的影响等。二、海洋工程的前沿技术问题Spreadmooring单点系泊深海平台系泊二、海洋工程的前沿技术问题(4)水下工程与技术本研究方向主要分为潜水器、深海空间站等。●潜水器前沿技术研究新概念潜水器和水下作业方法、潜水器总体和集成技术与方法、水下航行和推进的流体动力分析和优化、潜水器特种材料和结构、深水远距离动力和信息传输、深水布放回收技术及其关键过程机理研究、海洋环境潜水器动力学和操纵控制、水下定位、环境感知和人工智能等。●深海空间站研究深海空间站顶层设计与总体优化技术、深海空间站超大潜深结构技术、深海空间站水动力性能优化与综合预报技术、深海空间站潜器搭载与收放技术、深海空间站站载系统等。三、海洋工程学科的前沿学术问题1、极限海洋环境及其与结构物相互作用研究在海洋运输和海洋开发工程中，极限海洋环境把握十分重要。该方面的研究主要包括：（1）极限海洋环境的数理描述；（2）极限海洋环境与结构物的作用机理；（3）复杂海洋水声环境效应规律。（1）强非线性水波的相互作用和干扰；（2）强非线性水波、风、非均匀流与海洋工程结构物的相互作用；（3）船舶与海洋浮体非线性响应的机理与预报方法。理论研究的精细化、工程实际应用的精度要求，使非线性动力研究一直是、未来一段时间也将是船舶与海洋工程研究者的最关心问题之一。该方面的研究主要包括：2、非线性水动力学、结构物非线性动力响应机理与数值方法研究三、海洋工程学科的前沿学术问题3、基于CFD的数值模拟理论与方法研究计算水动力学已成为开展船舶与海洋工程结构物水动力性能研究的重要手段，该方面的研究主要包括：（1）波-流-结构物相互作用问题的数值模拟；（2）深海水动力学问题的数值模拟；（3）船舶与海洋工程数值水池仿真实验室研究；（4）全尺度船舶与海洋结构物复杂流动问题的大规模并行数值计算仿真。4、海洋结构物强度与可靠性研究（1）船舶与海洋结构物极限承载能力；（2）海洋结构物全寿命周期分析设计方法；（3）新型复合材料结构强度与设计；（4）基于可靠性和风险评估技术的结构分析方法.四、海洋工程领域的前沿研究方向4.1船舶与海洋工程水动学领域船舶与海洋工程水动力学是研究海洋平台（航行体/结构物）在复杂海洋环境条件下的流动现象、预报和控制海洋平台的非线性／动态载荷与响应的基础性研究科学，是流体动力学的重要分支领域。4.1.1非线性水动力学1）强非线性水波、风、非均匀流与海洋工程结构物的相互作用。2）深水极端非线性海洋环境，以及浅水非线性海洋环境的研究；3）船舶与海洋浮体整体非线性响应的机理与预报方法，包括：三维非线性水弹性与击振、参数型横摇运动的时域分析、极限运动与倾覆分析、液舱晃荡与船舶运动非线性耦合分析、超大型FPSO浅水效应以及多浮体水动力性能研究等。4）船舶局部强非线性流动和响应预报理论，包括艏艉砰击载荷、甲板上浪及其载荷、液舱晃荡载荷、深海平台波浪爬升等。5）船舶与海洋浮体非线性响应试验技术的研究，包括非线性海洋环境的模拟技术，船舶与海洋浮体整体与局部非线性响应的测试技术等。四、海洋工程领域的前沿研究方向4.1.2计算水动力学（CFD）1）波-流-结构物相互作用问题的数值模拟，包括小尺度问题(如海洋平台立柱，锚链，系泊系统)和大尺度问题(如人工岛，海上机场，储油罐)的波流场数值模拟和水动力特性的计算。2）深海水动力学问题的数值模拟，包括分层流和内波，复杂潜流，深海管线内流和外流耦合，立管多模态涡激振动，海洋结构物大变形流固耦合的水弹性问题，深海锚链系统的数值分析和水动力性能计算。3）船舶与海洋工程数值水池仿真实验室研究，包括数值造波，数值造流，船舶和海洋结构物在复杂波流和各种限制环境下的全流场数值仿真和动态演示方法和技术。4）全尺度船舶与海洋结构物复杂流动问题的大规模并行数值计算仿真，主要是针对实船、船-桨-附体、超大型海上浮体和平台的流场数值模拟和水动力性能预报。5）船舶与海洋结构物优异水动力性能的数值技术开发研究，即通过数值模拟实行船舶减阻，船型优化，新船型开发，海洋平台优化设计，新概念船舶和海洋结构物开发的方法和技术。6）船舶与海洋工程水动力学问题数值计算的非确定性分析，包括对数学模型、湍流模式、方程离散、数值方法、编程过程、编译系统等误差源的非确定性分析。四、海洋工程领域的前沿研究方向4.1.3海洋工程结构物水动力性能●深海平台水动力性能研究半潜式平台水动力性能；立柱式平台（SPAR）水动力性能；张力腿平台（TLP）水动力性能；新概念深海平台水动力性能；深海平台与定位系统的耦合水动力分析；深海平台海上运输与安装过程水动力分析；深海平台极限环境载荷、低频响应、高频振动、波浪爬升与砰击、涡激运动及控制等特殊水动力性能；内波与深海平台系统的水动力作用等。●浮式生产储卸油系统（FPSO）水动力性能研究FPSO与单点系泊系统的耦合水动力分析；FPSO甲板上浪与砰击等特殊水动力性能；浅水FPSO系统水动力性能；单点系泊FPSO水平面运动与稳定性分析等。●深水海洋工程水动力模型实验方法研究特殊海洋动力环境模拟方法；深海平台混合模型实验方法；深水系泊系统、立管系统的等效模拟方法；波浪爬升等模型实验方法；动力定位系统模型实验方法；海洋工程结构物水动力性能的海上实测技术；深海平台极限环境载荷、低频响应、高频振动与砰击、涡激运动及控制等特殊水动力性能；内波与深海平台系统的水动力作用等。四、海洋工程领域的前沿研究方向4.1.4流固耦合●单体弹性浮式结构物的动力响应研究研究单体浮式结构物水弹性响应的时域分析理论；碰击作用下的弹性浮式结构物水弹性响应分析技术；甲板上浪作用下的弹性浮式结构物水弹性响应分析技术；考虑二阶波浪力作用下的弹性浮式结构物水弹性响应分析技术等。●多体弹性浮式结构物的动力响应研究研究多体浮式结构物水弹性响应的频域分析理论研究；多体浮式结构物水弹性响应的时域分析理论研究；考虑波浪二阶力贡献的多体浮式结构物水弹性响应分析技术。●基于CFD和结构动力学的海洋结构物水弹性响应分析理论研究4.1.5实验水动力学●复杂、灾害性深海环境模拟理论与方法研究内容包括：奇异波与碎波等模拟理论与方法；任意主方向短峰波、双峰谱短峰波、奇异波叠加短峰波等不规则波模拟理论与方法；分层流、内波模拟理论与方法；均匀稳定深水流、剪切深水流、高速表层流等模拟理论与方法；非定常风场模拟理论与方法。四、海洋工程领域的前沿研究方向●船舶与海洋工程模型试验理论与技术研究船舶与海洋工程模型试验尺度效应与相似律；深海平台、深水系泊系统、立管系统的水深截断模拟理论与技术；平台涡激运动及深海柔性构件涡激振动实验技术；甲板上浪、波浪爬升、砰击、晃荡等非线性力学模型试验技术；水下运载器操纵与控制模型试验技术；深海立管结构疲劳试验技术等。●大型海上装备现场测试研究海上风、浪、流环境现场测量与分析方法；海上装备运动性能现场测量方法；系泊系统和立管系统运动与载荷现场测量方法；现场测试数据的长期自动同步采集、传输与处理；现场监测及远距离遥控监测系统等。4.2海洋结