半潜平台内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论KdV、e KdV和MCC的适用性条件为依据,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对半潜平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下半潜平台水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,半潜平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。此外,半潜平台对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison和傅汝德—克雷洛夫力公式计算其内孤立波载荷是可行的。     

直立圆柱体内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论(KdV、eKdV和MCC)的适用性条件为依据,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,建立了两层流体中内孤立波对直立圆柱体强非线性作用的数值模拟方法.结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且直立圆柱体内孤立波水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合.直立圆柱体内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;对于水平力,其波浪压差力与粘性压差力量级相当,流体粘性的影响显著;对于垂向力,粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略.此外,直立圆柱体对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison公式和傅汝德—克雷洛夫力分别计算其内孤立波水平力和垂向力是可行的.     

直立圆柱体内孤立波载荷特性数值模拟（英文）

以三类内孤立波理论(KdV、eKdV和MCC)的适用性条件为依据,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,建立了两层流体中内孤立波对直立圆柱体强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且直立圆柱体内孤立波水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。直立圆柱体内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;对于水平力,其波浪压差力与粘性压差力量级相当,流体粘性的影响显著;对于垂向力,粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。此外,直立圆柱体对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison公式和傅汝德—克雷洛夫力分别计算其内孤立波水平力和垂向力是可行的。     

FPSO内孤立波载荷实验观测及理论预报模型研究

利用大型密度分层水槽开展了下凹型内孤立波作用在FPSO上的载荷特性系列实验;并依据实验工况,考虑KdV、eKdV和MCC内孤立波理论的适用性条件,数值研究了FPSO内孤立波载荷成分构成;基于实验结果和载荷成分构成,建立了FPSO内孤立波载荷的理论预报模型.研究表明:FPSO内孤立波水平载荷由粘性力和Froude-Krylov力组成,而垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力;Froude-Krylov力可通过动压力沿FPSO浮体湿表面积分得到,粘性力则通过经实验回归的摩擦系数Cf、形状修正因数K乘以内孤立波诱导水质点切向速度沿FPSO浮体湿表面积分得到.系列实验结果得出:摩擦系数Cf和形状修正因数K与雷诺数Re、KC数和流体层深度比h1/h有关;摩擦系数与Re呈自然对数关系;而形状修正因数K与KC数呈幂函数关系.理论预报模型预报的水平载荷、垂向载荷结果均与系列实验和数值结果吻合较好,并且发现随着内孤立波振幅的增加,载荷幅值近乎线性增加,而且上层流体深度对水平力幅值有明显的影响.     

FPSO内孤立波载荷实验观测及理论预报模型研究（英文）

利用大型密度分层水槽开展了下凹型内孤立波作用在FPSO上的载荷特性系列实验;并依据实验工况,考虑KdV、eKdV和MCC内孤立波理论的适用性条件,数值研究了FPSO内孤立波载荷成分构成;基于实验结果和载荷成分构成,建立了FPSO内孤立波载荷的理论预报模型。研究表明:FPSO内孤立波水平载荷由粘性力和Froude-Krylov力组成,而垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力;Froude-Krylov力可通过动压力沿FPSO浮体湿表面积分得到,粘性力则通过经实验回归的摩擦系数C_f、形状修正因数K乘以内孤立波诱导水质点切向速度沿FPSO浮体湿表面积分得到。系列实验结果得出:摩擦系数C_f和形状修正因数K与雷诺数Re、KC数和流体层深度比h_1/h有关;摩擦系数与Re呈自然对数关系;而形状修正因数K与KC数呈幂函数关系。理论预报模型预报的水平载荷、垂向载荷结果均与系列实验和数值结果吻合较好,并且发现随着内孤立波振幅的增加,载荷幅值近乎线性增加,而且上层流体深度对水平力幅值有明显的影响。     

内孤立波作用下水下潜器的载荷特性数值分析

为了研究海洋内孤立波作用下潜器的载荷特性,以RANS方程为控制方程,依据Kdv,eKdv和mKdv三类内孤立波理论计算速度入口,建立两层流体中内孤立波与水下潜器相互作用的数值模拟方法,计算分析内孤立波作用下潜器的水平力、垂向力和力矩的变化规律.结果表明,数值模拟得到的内孤立波波形及振幅与其对应理论解和文献中实验结果吻合良好.潜器的受力变化规律与内孤立波波幅、上下层水深比和潜器潜深有关.     

内孤立波作用下水下潜器的载荷特性数值分析

为了研究海洋内孤立波作用下潜器的载荷特性,以RANS方程为控制方程,依据Kdv,e Kdv和m Kdv三类内孤立波理论计算速度入口,建立两层流体中内孤立波与水下潜器相互作用的数值模拟方法,计算分析内孤立波作用下潜器的水平力、垂向力和力矩的变化规律。结果表明,数值模拟得到的内孤立波波形及振幅与其对应理论解和文献中实验结果吻合良好。潜器的受力变化规律与内孤立波波幅、上下层水深比和潜器潜深有关。     

基于粘性无反射数值波浪水池研究波浪作用下双浮体共振问题

对于存在小间隙的双浮体系统在波浪作用下的共振问题,传统的势流模型由于忽略了流体粘性的影响,往往会严重高估共振现象。鉴于此,论文通过在不可压缩粘性流体的N-S方程中添加质量源项和阻尼项,建立了粘性无反射数值波浪水池,并基于此数值水池对不同频率波浪下的二维和三维双方箱形浮体的水动力特性进行模拟研究。结果表明,对于二维双浮体,论文方法能够准确地对间隙内的波高、作用在浮体上的波浪力及其共振频率进行预报;在共振频率附近,传统势流模型忽略了粘性的影响,相比论文方法会高估间隙内的波高以及波浪力。对于三维双浮体,势流和粘流结果的差异明显小于二维时两者的差异。对比二维和三维结果可以发现:二维双浮体受到的水平和垂向波浪力均存在强烈的共振现象;而三维双浮体受到的垂向波浪力不存在共振现象,而是随入射波频率的增加而单调递减。     

含月池开孔的FPSO水动力性能及波浪载荷研究

为研究月池开孔对FPSO水动力性能和波浪载荷的影响,基于三维势流理论和波浪诱导载荷理论,分析了不同的月池尺寸、不同的月池纵向位置以及不同的船体吃水时附加质量和附加阻尼的变化趋势。并进行了含月池开孔的FPSO波浪诱导载荷的长期预报,得到了截面垂向剪力和弯矩沿船长方向的分布规律,分析了月池尺寸对波浪诱导载荷的影响。结果表明含有月池的FPSO船体的垂向附加质量和附加阻尼会出现一个峰值,随月池尺寸增加而逐渐减小;月池处垂向剪力和垂向弯矩随月池尺寸增大有小幅度减小。     

波浪作用下网衣结构承受载荷研究

为了研究波浪作用下渔业养殖装备的网衣受到的载荷,并探讨主要的影响因素。采用屏模型对网衣进行了数值计算,分别应用线性波理论和2阶斯托克斯波理论计算流体质点速度和加速度,并考虑自由表面变化对网衣载荷的影响。为了验证数值方法,对不同密实度网衣进行了水槽试验。结果表明,屏模型计算得到的网衣波浪载荷和试验吻合较好,2阶斯托克斯波理论计算得到的波浪水平力峰值比线性波理论计算的精度更高。网衣密实度对网衣受到的波浪载荷具有较大影响,特别是在长周期波情况,影响更为显著。     

基于面元法的船舶螺旋桨附连水质量与阻尼计算方法研究

在船舶轴系振动或桨轴流固耦合分析中,螺旋桨在流场中所引起的附连水质量与阻尼是很重要的参数。但实际计算中螺旋桨附连水质量常常用螺旋桨自身质量乘以一个经验系数得到,而附加阻尼往往被忽略。针对这些不足,文章利用螺旋桨水动力分析中常使用的面元法,构建了螺旋桨随轴系在水中振动时的附加质量与阻尼数值计算方法。目前求解附加质量的经典方法是基于运动物体引起流体动能变化来求解,但该方法不能求解附加阻尼。文中证明了所提出的方法与经典方法是完全等价的,同时利用该方法还可以求解附加阻尼。最后以球体、椭球体及螺旋桨为对象给出几个算例,并与解析解或其它文献计算结果比较,误差均在合理范围内,表明文中提出的方法的有效性。     

随轴系做复杂空间运动的船舶 螺旋桨水动性能计算

船舶航行时,附在转轴上的螺旋桨通常做复杂的空间运动。这是因为一方面螺旋桨和转轴不可避免地存在偏心,使得在不平衡激励下转轴在绕自身中心线旋转的同时又发生空间涡动(又称为进动);另一方面,螺旋桨通常工作在不均匀的流场中(即使来流均匀,轴系涡动亦会导致流场的不均匀),桨叶表面的脉动力也会导致转轴的空间振动。对具有复杂三维运动的螺旋桨的水动性能预报是一个难点。本文建立了螺旋桨在流场中随轴系做复杂空间运动时的水动力预报数学模型,并利用不定常面元法求解了这一问题。该方法按时间步顺序求解,考虑了不均匀流场、轴系振动、尾涡的非线性运动及卷曲等因素。利用本文提出的方法并结合结构动力学模型,可以方便地研究流体-螺旋桨-轴系双向流固耦合等问题。同时该方法也可以用来预报船舶转弯、船舶升沉及纵摇振荡、螺旋桨启停及加速等复杂工况下的螺旋桨水动性能。文中通过一个算例验证了算法的有效性。最后,预报了轴系纵向振动幅值为1 mm,振动频率为3 Hz并伴有微量回旋振动时所引起的4381螺旋桨的脉动力。研究表明推力脉动分量大约为其静态分量的4.5/1 000,扭矩脉动分量大约为其静态分量的4/1 000。     

基于改进MPS方法的三维时域水弹性计算模型

本文在作者已有的二维改进MPS(Moving Particle Semi-implicit)方法基础上进行了三维拓展(主要包括三维自由面粒子判断),并通过将计算得到的三维溃坝问题结果与文献中实验结果相对比,验证了所发展模型的准确性。在结构响应计算方面,将刚性和柔性模态耦合并计及相互影响。在此基础上,将流体和结构部分通过迭代方式耦合,从而实现强流固耦合计算。最后,应用上述模型对涉及大刚体位移叠加弹性变形的三维方梁的强非线性时域水弹性问题进行了计算,验证了模型对此类问题的有效性。     

一种基于离散模块的浮体水弹性响应预报方法

文章基于传统的多体水动力学和有限元方法,将连续的浮体离散为由有限个弹性梁元连接的刚体子模块,各个模块不仅受到相邻模块的水动力的干扰,同时还受到为保证结构连续性而引入的等效连接梁的作用,从而建立了一种新的可以用于求解浮体水弹性响应的数值方法。采用文中的数值计算方法,对一个箱形的超大型浮体的水弹性响应进行了研究。并通过与传统的水弹性方法计算结果的对比,证明了文中的方法的正确性和可靠性。该文的数值计算方法可为以后非均匀海洋环境下浮式结构物的水弹性响应计算提供依据。     

大型集装箱船快速波激响应分析

大型船舶的水弹性分析,对于船舶结构设计尤为重要。论文以某万箱级集装箱船为目标船型,采用三维结构分析与二维耐波性相结合的混合水弹性预报方法,进行快速波激振动响应分析。数值模拟采用MSC. Patran&Nastran有限元方法进行模态分析和基于MFS算法的STF切片法进行耐波性计算,并分别利用Bernoulli梁的解析解和HydroSTAR软件进行模型验证,最后基于模态叠加原理进行频域的波激响应预报。数值结果表明:该混合数值方法简化了网格划分耗时、提高了计算效率、满足了工程计算精度,具有较好的工程实用价值。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

二维多翼翼型中拱线设计方法理论研究

基于势流理论和线性薄翼理论对二维多翼中拱线的设计问题开展理论研究。参考NACAa系列翼型设计思路,从均化翼型载荷的角度出发,建立了考虑多翼干扰效应的多翼翼型中拱线设计方法,将其应用到地效翼和栅格翼中,得到不同线性载荷参数和设计间距下的多翼中拱线解析式。该解析式物理意义明确,影响因素清晰,数学求解方便,对工程估算有重要参考价值。     

基于参数化设计的浮冰区船舶冰阻力研究

基于Voronoi图采用参数化设计工具对不规则几何形状的浮冰开展参数化建模,参照真实冰区测量信息,利用遗传算法对浮冰尺度概率分布开展了优化研究。考虑不同浮冰尺度范围,采用有限元方法对船舶在浮冰区航行的冰阻力进行了数值计算。研究发现:大尺度浮冰相对于小尺度浮冰而言,破碎更为剧烈;优化浮冰尺度概率分布的冰阻力峰值总体而言大于优化前,平均值则较小;数值计算结果在较大浮冰尺度范围内与经验值较为吻合,浮冰阻力平均值随浮冰平均尺度增大呈负指数幂函数减小趋势。文中提供了一种对浮冰尺度概率分布进行校正和优化的方法,对船舶在浮冰区的阻力预报具有一定参考价值。     

多蛋形交接耐压壳屈曲特性试验与数值研究

文章研究了多蛋形交接耐压壳屈曲行为。基于壳体开孔处的变形量与完整壳体一致的设计理念,优选多蛋壳结构参数,制作多蛋壳比例模型,并对其制作误差进行了检测。此外,还进行了静水压力试验,验证真实多蛋壳破坏形式,检验环肋参数的合理性,比较了考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析结果。结果表明:基于变形协调理念设计的多蛋壳,最终破坏远离环肋交接处,蛋形壳单元破坏形式及载荷与完整单蛋壳基本相同,试验验证了多蛋壳继承了完整蛋形壳较好的耐压特性;基于弧长法的数值计算与试验结果具有良好一致性,考虑真实形状和厚度的非线性有限元分析可用于分析预测真实壳体的屈曲特性。     

水面小尺度漂浮平台动力学响应分析

针对由弹性连接件形成的多浮体系统,基于修正的莫里森公式应用微元法推导了主平台和浮囊的受力模型,建立了水面小尺度漂浮平台的动力学方程,并分析了连接件刚度和浮囊直径对主平台幅值运动响应的影响。通过仿真和试验结果对比验证了理论模型的正确性。结果表明,连接件刚度对主平台幅值运动响应的影响远大于浮囊直径,主平台的幅值响应随连接件刚度呈"W"变化,最优的连接件刚度为40×10~4N/m;主平台的幅值响应随浮囊直径呈微弱增长,最优的浮囊直径为2.5 m。研究结果可为水面小尺度漂浮平台的弹性连接件和浮囊参数的设计提供依据。