多自由度轴对称型波能转换装置水动力性能研究

提出了由垂直轴对称浮体和铰接动力输出(PTO)管组成的多自由度波能转换装置,垂向动力输出机构安装在PTO管内,在波浪作用下浮体可沿PTO管滑动。应用线性势流理论建立该波能转换装置的水动力分析模型,并简化为浮体垂荡、浮体及PTO管相对于铰接点的纵摇和横摇3个单自由度运动方程。为了验证计算模型的正确性,在随浪工况下将各单自由度频域计算结果与基于AQWA-NAUT时域计算结果进行了比较。点吸收装置通常利用海浪作用下浮体相对于固定框架或水下物体的垂荡运动获取能量,其能量俘获带宽相对较窄,而论文提出的新型波能转换装置可俘获浮体多个自由度方向的能量。研究表明,相对于垂荡单自由度点吸收装置,新型多自由度轴对称型波能转换装置可提高波能俘获效率及能量俘获带宽。     

非线性铰接双浮体波能转换器的能量捕获特性研究

本文针对传统铰接浮体线性波能转换器捕获效率低、频带窄的固有瓶颈,提出一种可用于铰接浮体波能转换器的简易负刚度机构,可作为一种被动方法提高系统的波能捕获效率。首先,提出一款简单紧凑的负刚度装置,该装置通过在铰接浮体间布置简单的拉伸弹性元件实现;其次,基于线性波浪理论和Cummins方程,建立两模块非线性波能转换器的时域动力学模型,同时为提高计算速度,采用状态空间模型替代表征波浪辐射力的卷积积分项;最后,分析规则波作用下两模块非线性波能转换器的波能转换特性。数值结果表明,通过引入非线性负刚度机构,可有效降低系统的等效固有频率;当负刚度机构调整到适当参数时,系统的弹性力在纵摇运动的相平面上能形成一个椭圆势井,其长轴接近铰接双浮体纵摇运动的模态方向,由此可使两模块的纵摇运动趋于反向,起到被动相位控制的作用。基于上述机理,合适的非线性负刚度结构可有效提高能量的捕获效率和拓宽能量吸收的频带。     

不同随机波影响因子下张力腿平台动力响应

采用时域耦合法对某传统式张力腿平台进行非线性动力响应研究,重点讨论不同随机波有义波高、谱峰周期和入射波方向对张力腿平台各自由度运动响应和顶端张力的影响。结果显示,本文各工况各自由度最大位移均满足设计要求。纵荡、垂荡和首摇运动幅值对有义波高较为敏感;平面内运动对谱峰周期较敏感,而谱峰周期对平面外运动影响不大;平面内运动对入射波角度较敏感。纵荡和首摇为低频运动,垂荡和纵摇为高频运动,其中垂荡与纵荡相耦合;由于高频载荷引起平台升沉、横摇和纵摇运动,而这3种运动又作用于张力腿轴向振荡,从而使得张力腿顶端张力表现为高频响应。     

大型围圈型浮式结构物的波浪运动响应分析

大型浮式结构物作为一种海上综合保障基地,可为人们解决海上物资中转、人员和船只安全等难题提供新的手段,准确预报波浪中结构物的水动力特性,对浮式结构物的设计和安全性评估具有十分重要的意义。本文应用三维势流理论,对围圈型浮式结构物的频域水动力性能进行了分析,与试验结果对比验证了计算的有效性,同时本文以浮体内部波高和浮体运动响应为对象,探讨了波浪条件、连接器长度和重心变化对浮体频域水动力性能的影响。研究结果表明,浮体内部波浪的反射与干扰不容忽视,连接处的水体振荡最为剧烈;浮体垂荡运动对浪向的变化并不敏感;浮体间的连接器长度的变化,对其峰值区域的纵摇运动、横摇运动和高频区域的垂荡运动影响相对较大;浮体重心位置的改变对其水动力性能的影响较小。     

国外核动力潜艇耐波性理论预报

采用STF理论和Frank源分布-紧密拟合法对国外核潜艇潜望状态进行了纵荡、垂荡、纵摇、横荡、横摇、艏摇和垂向加速度等波频运动耐波性理论预报.给出了不同航速、航向时的规则波运动响应和不同航速、航向、波高、波浪平均周期时的不规则波运动统计值.对典型艇型进行变化稳心高、纵向和横向惯性系数计算.最后对各艇进行了耐波性能比较.     

刚性薄板在波浪场中的动力响应

基于物理模型试验,对刚性薄板在波浪场中的动力响应问题展开研究。测量并分析了不规则波况下,薄板相对尺度、相对波高和相对水深等对薄板系泊力、运动响应、板后波高分布及薄板点压力分布的影响,进行了对比分析。结果表明:试验范围内,在不规则波况下,薄板系泊力以及纵移和纵摇运动分量均随相对波高的增大而增大,随相对板长的增大而减小,且趋势由急变缓,在达到4~5L后呈稳定状态,故从系泊力以及纵移和纵摇运动分量角度给出水动力学定义,当刚性薄板尺度达到4~5L则可称为超大型浮体。     

柔性多浮筒防波堤斜向浪作用下的运动特性研究

本文针对柔性多浮筒防波堤进行了三维水域下的数值模拟研究,探讨了浮堤相对宽度、相对波高、波浪入射角度等因素对防波堤运动响应的影响。结果表明:相对波高越大,浮堤运动响应有增大趋势;波浪入射角度增大,浮堤横荡、垂荡、横摇运动量减小,纵摇运动量增大,而纵荡及艏摇运动量无明显变化规律。综合来看,浮堤B/L0.65时各方向运动量均保持稳定,可作为柔性多浮筒防波堤的设计参考。     

箱式浮体在波浪中的运动分析

为研究浮体在波浪中的运动，工程中采用基于刚体运动学的理论，应用牛顿第二定律建立了箱体在六个自由度的耦合运动方程。采用修正的切片法计算了箱体在规则波中运动的附加质量、附加阻尼和静水恢复力，并以纵摇和垂荡两个运动模态为例，在频域和时域内计算了浮体在规则波中两个运动模态的波浪载荷和运动响应，并对运动响应特性进行了分析。     

半潜式浮基风电平台设计及波浪动力响应分析

为了开发深海风能资源,研究浮基风电平台在波浪中的响应特性,设计了一种半潜式浮基风电平台。应用ADINA软件,采用边界造波方法、ALE动网格方法以及网格变疏增大数值黏性的消波方法构建了数值波浪水池,对ITTC半潜式平台在规则波作用下动力响应进行了数值模拟,通过与该平台的模型试验数据进行比较,验证了数值模拟方法的准确性。而后对一种新型的浮基风电平台在波浪中的运动进行了数值研究,给出了风电浮基平台在不同水深、不同波高波浪周期情况下横摇、纵摇时程曲线。数值计算结果将有助于了解浮基风电平台塔架顶端的运动、位移和受力,为海上风机系统的设计提供合理的荷载参数。     

基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

规则波浪中舰船摇荡耦合切片计算方法

[目的]切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,[方法]基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式(史密斯效应);基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德—克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。[结果]数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。[结论]所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。     

B.H.型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究

在高速拖曳水池里开展了B.H.型气泡高速艇静水阻力及规则波纵向运动模型试验,研究了气流量、航速、波长、波高等因素变化对B.H.艇波浪中阻力、垂荡、纵摇、垂向运动加速度的影响。探讨了波高变化对饱和气流量的影响。研究结果表明:静水中B.H.艇相对减阻率可达36.25%,绝对减阻率可达20.79%,迎浪规则波中相对减阻率可达32.3%,与静水减阻效果基本相当,波长变化对减阻率的影响甚微。气层并未导致纵向运动性能的恶化,相反在一定航速与波长范围内,艇底气层能改善垂荡与纵摇运动;饱和气流量下,阻力、垂荡、纵摇及重心垂向运动加速度随波高呈非线性变化,航速增大非线性增强,波长增加非线性降低;波浪中饱和气流量随波高呈非线性变化。     

鹰式波浪能发电装置水动力学性能分析及优化

根据牛顿第二定律,对鹰式波浪能装置多个浮体进行了力学分析,基于微波理论,通过每个浮体之间三种模态的运动耦合,建立了流体力、阻尼力、铰接力、静水回复力等内外力之间的力学方程组。通过以运动浮体为边界条件求解多个浮体的水动力学参数,代入方程组中计算求得最优外加阻尼和最优俘获宽度比,从而优化设计方案,得到此时各浮体在纵荡、垂荡和纵摇三种运动模态下的位移幅值,以及阻尼力、铰接力、液压缸运动速度等相关参数。研究成果为鹰式波浪能装置的设计及制造提供了理论参考和依据。     

随机波中船舶参数横摇研究

针对随机波中船舶参数横摇,提出一种数值预报方法。采用新的随机波成形方法,求解出船舶无横倾时在随机波中时间序列垂荡和纵摇运动,确定出船-波相对位置。利用3个坐标系之间的转换关系确定船体各横剖面左右舷与波面瞬时交点,然后对波浪压力沿船长湿表面积分,得出船舶复原力的Froude-Krylov部分。提出复原力之辐射力和绕射力部分和横摇角的非线性假定。确定一个参数横摇数学模型,实现随机波中参数横摇计算;通过试验和数值模拟对一艘巴拿马型集装箱船进行了参数横摇预报,研究了随机波中参数横摇的实际非各态历经的特点。     

箱式浮体在波浪中的运动分析

为研究浮体在波浪中的运动,工程中采用基于刚体运动学的理论,应用牛顿第二定律建立了箱体在六个自由度的耦合运动方程.采用修正的切片法计算了箱体在规则波中运动的附加质量、附加阻尼和静水恢复力,并以纵摇和垂荡两个运动模态为例,在频域和时域内计算了浮体在规则波中两个运动模态的波浪载荷和运动响应,并对运动响应特性进行了分析.     

箱型气浮结构的幅频响应特性分析

基于线性势流理论和动力学相关理论,考虑箱型气浮结构内部气-水交界面处的非线性边界条件,采用谱分析法对结构在波浪作用下的运动响应进行短期预报和统计,与参考文献对比表明,计算结果合理;垂荡运动位于波能集中段而纵摇运动避开了波能集中段;结构的最大纵摇角小于静稳性曲线产生最大恢复力矩的纵摇角。对于此类结构,可通过在设计中采用合理的分舱设计或尺寸优化,以及在施工中绑缚浮筒、改变拖航的速度和航向的方法避开波能集中段。     

渤海海域软刚臂系泊核动力平台水动力分析

我国首座海洋核动力平台采用船型方案,由塔架软钢臂单点系泊装置系泊,作业海域为渤海海域。为确保海洋核动力平台安全和核安全,在设计阶段采用模型试验和数值计算对其进行水动力分析必不可少。本文首先得到在单位波幅规则波下频域RAO,然后计算在风浪流联合作用下的时域运动响应,并采用Weibull分布对垂荡、横摇和纵摇的时历运动进行统计。最后,将平台运动特性的数值计算结果与试验数据进行对比分析,为海洋核动力平台的设计提供参考。     

水深对潮流能电站载体水动力系数的影响

利用三维线性势流理论和源汇分布法研究潮流能电站载体的辐射问题,对不同水深下载体的附加质量和附加阻尼进行数值计算。计算结果表明,3个水平面运动(横荡、纵荡和首摇)附加质量随水深增大变化较为平缓,而3个垂向运动(垂荡、横摇和纵摇)附加质量随水深变化显著。载体的6个运动附加阻尼都随水深增加而增加,且波浪周期在4~9 s时增幅较大。     

软刚臂单点系泊装置对小型浮式平台性能影响研究

软刚臂单点系泊是浅水海域FPSO重要的系泊方式之一,其结构尺寸及重量较大。通常FPSO排水量较大,软刚臂单点系泊装置对其影响可忽略不计。当软刚臂单点系泊装置用于排水量较小的浮式平台时,其对浮式平台的影响不可忽略。为研究单点系泊装置对小型浮式平台性能的影响,运用AQWA软件,基于耐波性理论基础,分别计算浮式平台在单点系泊状态和顺应式系泊状态下的频响及固有周期;采用时域分析方法,分别计算浮式平台在2种系泊状态下的运动响应。计算结果表明,单点系泊装置会减小浮式平台横摇频响峰值,增大其对应的周期,对纵摇和垂荡的频响影响不大;明显增大横摇和纵摇的固有周期,略微减小垂荡的周期,增大3个运动量的阻尼;增大横摇和垂荡的平均值以及垂荡的幅值,2种系泊方式对横摇和纵摇幅值的影响与风浪流方向分布有关。     

大型集装箱船参数横摇模型试验和数值模拟研究

以4000TEU集装箱船为研究对象，通过系列自航模型试验，确定其在迎浪规则波中发生参数横摇的限界。试验结果显示：在迎浪规则波中，参数横摇通常发生在波浪遭遇周期为横摇固有周期一半的附近；对应不同遭遇频率时参数横摇的发生，存在一个临界波高；航速的增加和舭龙骨的安装将使参数横摇发生的临界波高增加；当有初始干扰时，参数横摇发生的临界波高较小。而且，数值模拟结果与模型试验结果比较吻合。