波流共同作用下大尺度圆柱墩群周围局部冲刷的数值模拟

本文利用数值方法研究了波流共同作用下大尺度圆柱墩群周围的局部冲刷,利用有限元方法建立了模拟波流共同作用下大尺度圆柱墩群周围的局部冲刷的数值模型.该数值模型波包括两个子模型:波流耦合场的数值模型和输沙计算的数值模型.通过波浪弥散关系的迭代计算可得到随流运动坐标系中的波浪频率和波向与流向的夹角.流场通过求解加入辐射应力项的浅水环流方程得到,波浪场通过求解含流的缓坡方程得到.然后通过两者的迭代计算得到波流场的耦合解.利用已获得的波流场的水质点的速度计算海床底面的剪切应力与泥沙的输沙率,通过泥沙守恒定律计算海底地形改变情况,在新的海底地形条件下重新计算波流场,重复这一过程直至地形稳定.本文中首先利用数值方法计算了波流共同作用下大尺度孤立圆柱周围的局部冲刷,计算结果与物理模型试验的实测值吻合得较好.在此基础上,本文计算了多组墩群周围的的部冲刷的算例,并与相同条件下孤立圆柱周围的局部冲刷结果进行了比较,以研究墩群中各柱间的相互作用对局部冲刷的影响.     

三维数值波浪水池造波技术研究

数值波浪水池是一种新兴的研究平台,相对于物理实验具有经济花费少、结果数据详细等优势.采用FLUENT软件建立三维粘性数值波浪水池,运用二次开发接口UDF(Universal Disc Format)模拟造波机的工作方式,实现摇板造波和在动量方程中添加源项实现消波区的消波.数值水池运用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)模型捕捉自由面,湍流模型为RNG雷诺时均模型.输入波列为同一波长、多个波高的简谐波波浪序列,将序列中的计算结果与理论值对比,验证数值波浪水池的造波能力.     

两层流体中运动物体的兴波特性

研究了在两层流体中定常运动的三维物体产生的内波尾流场特性.在势流理论假设下,基于Green第三公式,建立了一组基于Rankine源的分层变形边界积分方程,提出了一种基于四节点双线性等参元的数值实现方法,有效地处理了在场点处立体角的计算和数值积分中的奇异性问题.对定常运动三维球体产生的表面波和内界面波进行了数值模拟,并与定常运动点源的结果进行了比较.     

带推力矢量喷管导弹水下发射的流动数值模拟

提出了一种带推力矢量喷管导弹水下发射的三维流体动力数值模拟方法.三维气流场计算基于贴体坐标下欧拉方程,采用NND方法进行数值离散.三维水流场则采用基于势流理论的Hess-Smith面无法.运用混合的欧拉一拉格朗日方法跟踪气、水界面的变化.水流场和气流场的耦合计算通过水气界面处压力和法向速度连续的匹配条件来实现.通过数值实验,研究了燃气泡的三维特征和喷管摆角对流体动力载荷的影响.     

单桩波浪破碎荷载的数值模拟研究

基于开源程序Open FOAM建立了三维波浪破碎数值模型,模型控制方程采用三维不可压缩粘性流体运动RANS方程,应用VOF方法捕捉自由表面,分别运用动量分布源方法、阻尼消波方法实现数值造波和消波,紊流模型选用RNG k-ε模型。利用所建立的三维波浪破碎数值模型模拟了破碎波对单桩结构物的作用力,并与物理模型实验数据进行对比分析。结果证明该模型可以较好地模拟近岸单桩结构物所受破碎波浪荷载。     

横向规则波作用下的船舶倾覆

运用安全池理论研究了某近海干货船在横向规则波作用下的船舶倾覆问题.用阿当姆斯预估-校正法数值求解时域内单自由度非线性横摇方程.采用三维格林积分方程法计算水动力系数的频域特性.分析了非线性横摇方程中势流阻尼、非线性阻尼以及在横向规则波作用下波高和频率对安全池的影响.     

浅水中船舶水动力特性数值计算

本文对浅水中船舶水动力特性进行数值计算研究.采用RANS方程结合RNG K-ε两方程湍流模型,对一方形系数0.6的系列60船模在浅水中的阻力、升沉、纵倾和兴波进行数值计算,其中自由面采用VOF方法处理;计算中,水深Froude数范围0.6～1.8,包含了临界和超临界水深Froude数.数值计算得到的阻力、升沉和纵倾与模型试验结果及采用三维扩展Boussinesq方程的计算结果进行了比较分析,吻合较好,部分计算结果得到改进.     

数值波浪水池及顶浪中船舶水动力计算

基于粘流理论建立了三维数值波浪水池,模拟了非线性波浪,并对规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力进行了计算.数值模拟中,控制方程-RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波.给出了非线性规则波的模拟结果以及规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力计算结果,并与理论解及DUT(Delfi University of Technology)的试验数据进行了比较,二者吻合良好.     

方尾船绕射问题RANS求解研究

基于RANS方程,采用VOF方法捕捉自由液面,通过自定义函数UDF在Fluent平台上建立了三维数值波浪水池,模拟了规则波的生成、传播和消波,发现波陡对数值造波的精度有较大影响。求解了规则波中顶浪航行的方尾船模型的波浪力,并与试验结果和势流理论结果进行了比较。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。     

浅水快艇在超临界速度区运行时兴波尾流的数值研究

本文从含移动压力的浅水波方程出发，计算小型快艇在浅水中以超临界速度运行时的兴波和尾流场。船舶运动看成对自由水面的压力扰动，直接加到浅水方程。采用运动网格的有限元法求解浅水波动方程。在船体周围的开边界上使用无反射的边界条件。本文给出在深度傅汝德数时三维自由水面波高图、深度平均的水平流速以及兴波阻力系数、吃水变化量、纵倾角的数值结果。数值结果合理。计算结果表明，兴波阻力系数、吃水变化量、纵倾角在临界速度区附近有激烈的变化。     

规则波作用下近岸透空式结构物的波浪上托力研究

基于对透空码头结构物波浪上托力研究现状的分析,运用垂向二维CFD数值波浪水槽建立模拟规则波作用下水平板波浪上托力的数值模型.通过物理模型和数值模型所获波浪压力结果的对比分析,总结平板底部流场和测点压强的分布特点,探讨不同周期波浪的最大冲击压强随波浪相对超高变化的规律.试验结果表明,规则波作用下波浪上托力的数值模拟结果与...     

海底子母管线在规则波作用下的数值研究

采用三步有限元法离散N-S方程,建立了数值波浪水槽模型。数值研究了规则波作用下海底子母管结构的水动力特性。对海底子母管线所受波浪力的数值结果与物模实验结果进行比较。基于该数值模型,还考察了不同的子母管间相对缝隙G/D(0.1,0.25,0.5,0.75)对海底子母管线水动力特性的影响。分析得到了不同G/D下海底子母管线的涡脱落特性以及管线水动力系数随G/D的变化规律。结果表明,数值结果和实验结果吻合较好,该数值波浪水槽模型可用来计算波浪作用在海底子母管线上的水动力。关于不同G/D,得到了2种不同的涡脱落模式,在G/D较小(0.1,0.25)时,为"反相同步脱落"模式,在G/D较大(0.5,0.75)时,为"同相同步脱落"模式。     

两种典型截面立柱绕流特性数值模拟

为观察圆形截面和方形截面2种典型截面形式的立柱在绕流上的异同，采用Fluent对这2种截面形式的立柱进行不同折合速度和不同来流角度下的绕流数值模拟。从立柱受力、流体力轨迹曲线及涡泄模式等方面进行结果的分析和对比可知：方形立柱在绕流时流体分离点是固定的，且在相同条件下方柱的斯托哈尔数要比圆柱的小。此外，方柱绕流特性随来流角度的变化而有所变化，方柱的流体力统计值也与圆柱有较大区别，但二者的升阻力频率具有相同的关系。     

沉管管节浮运过程中波浪附加阻力的水动力学分析

波浪引起的附加阻力是管节海上浮运过程中总阻力的重要组成。采用基于势流理论的水动力学软件AQWA计算了管节浮运过程中的波浪附加阻力。通过建立管节及附属结构的三维有限元模型,确定管节的几何、物理性质,建立湿表 面模型进行水动力学分析。对影响附加阻力的各因素,包括水深、航速、波浪谱及波浪要素等,进行了参数敏感性分析。计算结果表明,采用P-M谱的计算值较采用JONSWAP谱有所不同,附加阻力随水深增加而减小,阻力值与波浪周期及波浪入射角均有一定的关系,与波浪高度的平方成正比,且与拖航速度成正比。     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著.     

基于CFD的船舶不同浪向下运动及增阻数值分析

为分析波浪对船舶快速性和耐波性的影响,必须对波浪中航行的船舶阻力增值进行准确预报。本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了Wigley船模的数值模型,对不同规则波波长下的船体运动和波浪增阻进行了计算,并与试验结果进行对比,验证了数值模型的可行性与准确性。同时计算分析了船舶在规则波中航行时的波浪增阻与浪向之间的变化关系。通过研究发现：随着浪向角的增大船舶波浪增阻逐渐增加,在60°浪向角时波浪增阻达到最大值,浪向角对波浪增阻的影响较大。本文的研究方法可用于船舶有航速下的不同浪向波浪增阻的数值预报。     

可渗潜堤波浪透射系数试验研究

针对实际工程中广泛应用的潜堤结构,采用断面物理模型试验的方法,对规则波作用下波浪与可渗潜堤的相互作用进行研究,讨论了淹没水深R_C与波高H之比R_C/H、波高H与周期的平方T~2之比H/(gT~2)、堤顶宽度B与波长L之比B/L、潜堤坡度m以及堤心石粒径D与波高H之比D/H等无因次参数与潜堤堤后透射系数K_t的关系。在前人研究成果的基础上,提出了改进的经验计算公式,为潜堤的工程设计提供理论参考。     

Analysis of hydrodynamic characteristics for arbitrary multihull ships advancing in waves

Multihull vessels have emerged as popular alternatives to conventional monohull ships for high-speed crafts. However, the bridging structures connecting the hulls are vulnerable to various wave actions and the wave impact on the bottom of them is the most serious problems associated with multihulled vessels. In this study, prediction of relative wave elevations under the bridging structures is investigated for multihull ships traveling with forward speed in waves. A computer code YNU-SEA using the three-dimensional (3D) Green function method with forward speed has been developed and used to analyze the hydrodynamic radiation and diffraction forces and motion responses for high-speed catamarans in waves. The results of the present calculations are compared with those of previous calculations as well as with experimental results. The numerical results reveal that the present computer code can be used as a powerful tool for the accurate numerical computation of seakeeping problems for multihull ships advancing in waves. Numerical calculations of wave pattern are also carried out including wave interactions between the hulls to analyze the effects of hull form on the free surface flow around catamarans advancing in waves. The analysis of the wave pattern allows the determination of relative wave height including radiation and diffraction waves. Finally, some discussions are included based on these numerical results which may be helpful for the accurate prediction of relative wave height and wave breaking load on the deck associated with multihull ships.     

Simplified estimation for the dynamic behavior and reliability analysis of very large floating structures under wave-induced loads

This paper deals with the dynamic response and strength of very large floating structures (VLFS) in regular and irregular waves, considering the propagation of the hydroelastic deflection wave of the structure. First, a simplified estimation method is presented for the dynamic response and strength of the structure in regular waves. Then, the validity of the method is demonstrated by comparing its results with analytical results and experimental results for a mat-type floating structure model. Next, a simplified estimation method for dynamic responses under long crested irregular wave conditions is presented by using the above results and by combining them with irregular sea wave spectra. Finally, the applicability of the method is investigated through numerical examples carried out for a 4,800-m class VLFS under trial design. Characteristics of the hydroelastic waves, short-term responses, and reliability levels are numerically identified. Received for publication on April 14, 1999; accepted on Sept. 10, 1999