本文源自海洋工程领域中海上油气开发的前沿课题,以一种新型水下弱刚性系泊系统定位的载液FLNG为研究对象。本文主要通过数值方法,同时结合理论分析和水槽模型试验方法,对粘性数值波浪水槽、非线性液舱晃荡、非线性波浪与载液浮体运动耦合和考虑液舱晃荡影响的载液浮体与弱刚性系泊系统耦合等方面的研究内容系统性地开展了相关研究。首先,基于推板造波理论和摇板造波理论,使用重叠网格技术建立了粘性数值波浪水槽,其中使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数、网格尺寸对数值模型的数值精度和计算效率的影响;并对此数值模型分别嵌入层流模型或湍流模型(包括标准k-?湍流模型和k-?SST湍流模型)三种流体模型时进行了计算精度和计算效率的对比研究。通过数值计算结果与理论结果和试验结果的对比,验证了此粘性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。本研究不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,同时为使用本粘性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。然后,基于粘性流体动力学理论对液舱晃荡问题进行了研究,通过嵌入使用湍流模型并采用VOF方法捕捉自由液面,开发的数值模型能够正确模拟液舱非线性晃荡时发生的自由液面破碎、波浪翻卷、晃荡冲击以及粘性耗散等复杂的非线性行为。开展了二维矩形液舱和三维立方体液舱强迫晃荡的数值收敛性测试和网格独立性测试,作为数值计算的依据。分别对液舱晃荡时二维线性和非线性以及三维线性和非线性自由液面波浪运动、三维液舱晃荡局部作用压力和三维液舱晃荡整体作用力进行了数值模拟,并将计算结果与其他研究方法的数值计算结果和试验结果进行对比,验证了本文数值模型和求解方法的正确性。进一步应用本文开发的数值模型研究和分析了激励频率、激励幅值、载液率、激励方向等敏感性参数对液舱晃荡特性的影响。此外,分析了流体粘性、二维三自由度运动耦合以及三维六自由度运动耦合的晃荡特性。进一步,建立了载液浮体在波浪中六自由度运动的动力学模型,基于刚体动力学“传播法”开发求解程序对本动力学模型进行了求解。采用基于粘性流体理论建立的粘性数值波浪水槽和非线性液舱晃荡模型,并结合浮体动力学模型,使用重叠网格技术实现了浮体内外部流场同时基于粘性流体理论进行求解,并对液舱晃荡与浮体整体运动耦合进行了分析。通过双液舱载液矩形浮箱在波浪水槽中的水动力分析和双液舱载液LNG-FPSO在波浪水槽中的水动力分析,并与已发表的试验结果和其他数值方法求得的结果进行对比,充分验证本文数值方法的正确性,为后面开展载液浮体与水下弱刚性系泊系统多体耦合分析提供依据和奠定基础。最后,基于以上研究工作,仍然采用“传播法”开发求解程序求解了弱刚性系泊系统与载液FLNG构成的多体系统动力学模型。针对一艘简化的FLNG进一步开展了液舱晃荡与船体运动的耦合研究。考虑水下弱刚性系泊系统的耦合,同时采用水槽模型试验和本文的数值方法对迎浪条件下FLNG在不同载液条件下的系泊特性进行了分析,进一步验证了本文数值方法的正确性。接着采用本文的数值方法开展了横浪条件下系泊系统与载液浮体FLNG的耦合研究。并利用本文的数值方法继续分别开展了系泊系统结构参数敏感性分析(包括系泊腿刚度、水下压载舱重量、系泊腿长度、水下YOKE结构长度、两个系泊腿之间的夹角)和环境参数敏感性分析(包括波浪高度和波浪方向)。