月池(Moonpool)是一种被广泛安装在钻井船或钻井平台上的结构,其存在对海洋结构物水动力性能有明显影响,如造成月池附加阻力(仅对钻井船而言)或恶化母体水动力性能等。月池这种特点使钻井船或钻井平台的设计、研发与制造同其它海洋结构物相比有明显区别。目前,学术界和工程界大部分已发表文献的研究工作主要集中在月池性态特征上,而对月池内各种强非线性现象所引发的负面影响研究较少。本文利用理论分析法和数值模拟法对某超深水钻井船月池附加阻力与内部砰击效应进行系统研究,主要工作内容如下:(1)基于传统线性势流理论对月池固有频率进行估算。首先,基于分离变量法求解Helmholtz方程,再通过特征向量求得封底月池的Helmholtz模态。然后,利用基于域分解法的理论估算公式求解本文所研究月池的固有频率,分析并讨论无平台月池和有平台月池固有频率的差异之处。(2)将“钻井船—月池”耦合系统置于数值造流水池内,研究流激励下月池附加阻力形成机理及其参数敏感性。基于传统船舶阻力理论,将月池附加阻力分为月池附加摩擦阻力、月池附加粘压阻力、月池附加兴波阻力三部分。推导钻井船纵向二维切片底部边界层的动量方程,基于量纲分析法解释月池附加粘压阻力形成机理,并从涡的角度对月池附加粘压阻力进行详细讨论。根据自由液面运动响应的频谱图,分析月池附加兴波阻力形成机理,并对不同Froude数下月池附加兴波阻力的变化规律进行详细讨论。(3)将“钻井船—月池”耦合系统置于数值造波水池内,研究波激励下月池性态特征及其砰击效应。以月池活塞固有频率作为外界波浪激励频率,研究月池在纯波激励和波流激励下自由液面运动响应和月池水体破碎、爬升、翻转等非线性行为。根据典型砰击压力曲线,找出月池砰击最明显的波流参数组合,分析并讨论月池砰击的时间演化和空间分布。(4)利用本文对月池附加阻力与内部砰击效应的研究结论,对钻井船上常见月池减阻制荡装置的设计原理和工作性能进行详细讨论,并分析其在工程实际中的应用潜力。设计适用于有平台月池的新型月池减阻制荡装置,并基于数值模拟法对新型装置在不同外界激励下的可行性和有效性进行评估。研究结果表明,月池附加阻力包括月池附加摩擦阻力、月池附加粘压阻力和月池附加兴波阻力三部分。其中,月池附加粘压阻力和月池附加兴波阻力是月池附加阻力的关键成分。月池附加粘压阻力来源于月池导边处边界层分离带来的涡脱落,而月池附加兴波阻力则来源于月池水体振荡。这两种月池附加阻力成分都与钻井船航速有密切关联,在工程实际中需对钻井船航速进行合理设计,以避免出现过高的月池附加阻力。当月池处于零航速下的波浪激励时,几乎不会出现砰击现象,而当钻井船在波浪中高速航行时,会出现明显的砰击现象。月池内部砰击压力最大的部位出现在月池前壁和月池后壁的静水面附近以及月池平台水平板内侧,在工程实际中需重点关注这些部位的结构强度设计。