为便于铺设缆线、安装立管、收放设备,钻井船船中区域会设置贯穿船体甲板、船底的月池结构,月池与海水直接相连,腔内存在自由液面。钻井船航行过程中,月池开敞会导致钻井船所受阻力大大增加。作业过程中,合理的月池尺寸及布置位置,可以屏蔽一定的外部海流及波浪作用,营造稳定的作业环境,保证作业安全。月池内流体运动方式有两种:一种为“活塞(piston)”运动,流体沿月池深度方向上下振动,一种为“晃荡(sloshing)”运动,流体的自由液面左右晃动。月池内流体运动的激励方式有两种,静水面有航速和波浪中无航速,这两种激励在实际作业中往往同时存在。本文考虑工程实际,采用数值模拟和实验方法对月池增阻效应、月池内流体水动力特性和抑波装置进行研究,论文的主要内容如下:(1)介绍研究背景,结合钻井船与月池结构特点,分析研究意义,介绍数值计算和实验研究基础理论与方法,阐明本文主要研究内容与创新点。(2)通过数值仿真计算和模型实验相结合的方法,探究不同航速下,月池对钻井船快速性的影响,总结月池增阻规律。以阶梯形月池-钻井船为主要研究对象,基于CFD数值计算理论,建立月池封闭与开敞状态下两种三维钻井船模型,利用Fine/marine软件对8kn~14kn不同航速下钻井船阻力进行模拟分析。同时采用模型实验法,制作月池封闭和开敞两种实验模型,并在江苏科技大学拖曳水池中完成相应航速下钻井船快速性系列实验,包括螺旋桨敞水实验、钻井船阻力实验和自航实验。将数值计算结果和实验结果进行对比,并验证。研究发现:钻井船月池开敞与封闭状态下,阻力增加25%~30%。航速越高,月池增阻越大。准确预估钻井船的船体阻力,有助于确定螺旋桨和主机配置。(3)采用实验法,研究矩形月池和阶梯形月池规则波作用下,月池内流体运动规律。以矩形和阶梯形两种月池为主要研究对象,设计制作3种月池-船体实验模型,在扬州大学循环水槽中,分别对每种月池模型进行20种规则波工况实验。研究发现:月池对外部波浪存在屏蔽作用,月池内流体运动滞后于外部波浪运动,共振时月池内流体运动幅值大于外部激励波高。矩形月池y向晃荡较弱,以x向晃荡为主;阶梯形月池中,“瀑布”造成月池内流体y向晃荡加剧,晃荡值小于x向,但仍不能忽略,应作为月池内晃荡研究重要组成部分。(4)针对矩形和阶梯形月池内流体运动规律,自主设计新型抑波装置,通过模型实验,探索抑波效果。以矩形和阶梯形月池内流体运动规律为研究基础,针对性设计制作月池内流体抑波装置,其中矩形月池内流体抑波装置4套,包括正向导流板式抑波装置、逆向导流板式抑波装置、二分式抑波装置和格栅式抑波装置;阶梯形月池内流体抑波装置3套,包括正向导流板式抑波装置、逆向导流板式抑波装置和格栅式抑波装置。月池模型、抑波装置模型和船体模型相互独立,可自由组合实验。实验在循环水槽中进行,包括7种实验模型×20种工况=140种工况。研究发现,导流板式抑波装置在月池内流体与外部波浪之间形成隔板,增强了月池屏蔽效应,月池内流体响应滞后于外部激励波浪;导流板式抑波装置中的斜板结构容易产生漩涡,破坏月池内流体自持振荡。小周期、小波高波浪作用下,二分式抑波装置造成月池内流体“错位”现象,月池前后部流体运动相位始终相差半个周期。格栅式抑波装置中格栅板切割月池内流体,造成波面细碎,有效阻止月池内流体沿月池壁向上爬升或下落,破坏原月池内壁处的自持运动。同时阶梯形月池台阶上方的格栅板,形成“堰”,提高“瀑布”下落高度、改变“瀑布”落水角度,对月池中流体冲击增大,引起月池内流体运动加剧。(5)总结本文主要工作与研究内容,对钻井船减阻措施、月池内流体水动力特性影响因素、抑波装置优化三方面研究做进一步展望,提出相关建议。综上,本文从月池增阻效应、月池内流体水动力特性、月池内流体抑波装置三方面着手,提出了合理的数值计算和模型实验方案。探索月池增阻效应,进行月池影响下钻井船实船性能预报,分析月池之于钻井船研究的重要性,具有重要的工程意义。由月池内流体水动力特性研究入手,针对性提出有效抑波装置,系统比较抑波装置抑波效果,得到了具有指导意义的相关结论,为掌握钻井船月池设计关键技术提供理论依据和技术支持。