在深水油气开发领域,半潜式平台是最可靠和最经济的海洋工程装备之一。相比于传统半潜式平台,深吃水的设计可以有效改善其在波浪中的垂荡运动性能。然而,由于立柱浸没深度的增加和迎流面积的增大,深吃水半潜式平台在水流中会受到更大的沿流向的阻力作用和垂直于流向的脉动升力作用,容易发生涡激运动现象。这种现象会严重影响平台的安全生产以及锚链和立管系统的疲劳寿命,因此深吃水半潜式平台的涡激运动问题受到广泛重视。本文主要采用模型试验和数值模拟相互结合的方法,对四立柱和深吃水半潜式平台的绕流特性、深吃水半潜式平台的涡激运动响应特性及其关键参数的影响规律等问题进行深入研究分析,并在此基础上提出一种新型半潜式平台的设计以减弱其涡激运动响应。基于闭环风洞中的模型试验,研究呈方形布置的四圆柱和四方柱分别在三种立柱间距比和四个来流角度条件下的绕流流场特性,并利用大涡模拟(LES)方法对四圆柱绕流问题开展三维数值模拟。研究发现,由于受到上游立柱尾流场的影响,下游立柱受到的时均阻力比上游立柱小,但是会受到更大的脉动升力作用。四圆柱和四方柱绕流的时均阻力系数随流向角变化的趋势相似,而脉动升力系数的变化规律差别较大。应用LES方法,对四浮箱半潜式平台、两浮箱半潜式平台和无浮箱四立柱结构的绕流流场进行三维数值模拟研究,分析浮箱的影响。研究表明,相比于有浮箱平台,无浮箱四立柱结构中的各立柱受到的时均阻力较大。45~?流向角时,两浮箱半潜式平台由于纵向浮箱的位置相对于来流方向为非对称结构,且两个纵向浮箱没有横向浮箱的干扰而直接处在迎流中,因此受到较大的升力作用。通过静水拖曳模型试验,开展系泊深吃水半潜式平台在不同流向角与不同立柱吃水比条件下(H/L)的涡激运动响应特性研究。利用水平等效系泊模拟系统水平回复力,采用空气轴承模拟锚链和立管的垂向预紧力,此装置可以准确模拟半潜式平台的质量比,且使平台在水平面内自由运动而垂向运动被限制。试验结果表明,在折合速度5≤U_r≤8区间内半潜式平台发生锁定现象;30~?和45~?流向角时的横向运动响应最显著,而0~?流向角时的首摇运动幅值最大;除0~?流向角外,平台运动轨迹主要沿着对角线方向。半潜式平台在1.12≤H/L≤1.90时的横向运动最大幅值较为接近,而H/L减小至0.87时,最大幅值减小约30%。在此基础上,对两浮箱半潜式平台和无浮箱四立柱结构的涡激运动响应特性进行试验研究,分析浮箱的存在对涡激运动响应的影响。与四浮箱半潜式平台相比,两浮箱半潜式平台和无浮箱四立柱结构在更小的折合速度时的横向运动响应也较为显著,说明浮箱的存在推迟了涡激运动的发生。无浮箱四立柱结构的横向运动和首摇运动最显著;两浮箱半潜式平台会受到更大的升力作用,因而在大的折合速度下的横向运动幅值比四浮箱半潜式平台的大。四方形和四菱形立柱结构的试验结果表明,当单个立柱的遭遇流向角相同时,二者横向运动响应基本一致,与四立柱结构的来流角度关系不大;且单个立柱的遭遇流向角为45~?时,两种结构的横向运动响应最为显著。应用分离涡模拟(DES)方法,对深吃水半潜式平台的涡激运动响应进行三维数值模拟研究,利用试验结果验证三维DES方法的准确性。在此基础上,考虑分别由尖角方形立柱、不同倒角率的倒圆角方形立柱和圆形立柱组成的半潜式平台,开展涡激运动三维数值模拟,分析立柱倒角率(R_c/L)的影响规律。结果表明,圆形立柱的半潜式平台在0~?流向角时的横向运动幅值约为45~?时的两倍,而倒圆角方形立柱的半潜式平台在45~?流向角时的横向运动响应比0~?时的显著。45~?流向角下,当R_c/L<0.1时,平台横向运动幅值随立柱倒角率的增加而急剧增大;当0.1≤R_c/L≤0.2时,横向运动最大幅值基本相同;当R_c/L≥0.3时,横向运动幅值随着倒角率的增加而减小。0~?流向角时,除尖角方形立柱外,其他半潜式平台的横向运动幅值基本随着立柱倒角率的增加而增大。对尖角矩形浮箱和倒角率0.1的矩形浮箱的半潜式平台的涡激运动数值模拟结果表明,浮箱截面形状对尖角方形立柱半潜式平台的横向运动响应基本没有影响,而对于倒角率0.15的方形立柱和圆形立柱的半潜式平台而言,尖角矩形浮箱可以大幅度地减弱其涡激运动响应。对三种典型的半潜式平台,即尖角方形立柱与尖角矩形浮箱组成的SQC-SQP平台,倒角率0.15的方形立柱与倒角率0.1的矩形浮箱组成的SRC0.15-SRP0.1平台,以及圆形立柱与倒角率0.1的矩形浮箱组成的CC-SRP0.1平台,进行不同吃水条件下的涡激运动三维数值模拟研究,分析立柱吃水比的影响规律。研究表明,吃水越大则半潜式平台的横向运动幅值越大。45~?流向角时,SQC-SQP平台在H/L≤1.30条件下的横向运动很小,而当H/L≥1.40时,平台的横向运动响应较为显著。SRC0.15-SRP0.1平台和CC-SRP0.1平台在较浅的吃水条件下(H/L=0.51,即立柱浸没深度与浮箱等高)也会发生较为显著的涡激运动响应。基于上述研究,提出一种新型半潜式平台,即由倒角率0.05的五边形立柱与倒角率0.05的矩形浮箱组成,并利用DES方法对其涡激运动响应开展三维数值模拟。结果表明,与原型半潜式平台相比,新型半潜式平台的横向运动幅值减小约49%,证实其具有更优良的涡激运动性能。