基于细长体公式的Truss SPAR在波流中的运动响应预报方法

利用细长体公式和刚体非线性运动方程建立Truss SPAR在波流中的运动响应预报方法。通过波浪自由表面和Truss SPAR中心线方程构造辅助函数,迭代计算瞬时湿长度。根据Truss SPAR主体形状特点和流场中水质点运动规律,分段高效积分水动力载荷。通过Runge-Kutta-Fehlberg方法求解运动方程,得到Truss SPAR在波流中的运动响应。对一座Truss SPAR在不同波流工况中的运动响应进行预报,结果表明,波浪和流使Truss SPAR产生明显漂移运动和振荡运动,漂移运动的大小与流向有关,而振荡运动的幅值与波浪方向有关。     

考虑粘滞阻尼的Truss Spar频域响应分析

联合势流理论与修改的Morison方程,建立波浪作用下的Truss Spar平台运动响应计算模型。波浪激振力与相关水动力信息采用高阶边界元计算方法获得。通过数值模拟得到Truss Spar平台纵荡、垂荡和纵摇RAO,针对Morison阻力系数对响应的影响进行参数分析。计算结果显示,纵荡和纵摇仅在低频部分对阻力系数敏感。因此平台在遭受二阶波浪慢漂力作用时,粘滞阻尼将起到重要作用。对于垂荡方向,由于Truss Spar安装的垂荡板提供了较大的竖向粘滞阻尼,因此垂荡RAO受阻力系数的影响较大。     

SPAR平台在波浪中运动的时域预报方法

在船舶与波浪相互作用时的三维预报方法的基础上,发展了SPAR平台与规则波相互作用的时域数值预报方法,该方法计入了SPAR平台垂荡和纵摇阻尼效应。使用该方法对一经典SPAR平台进行了规则波中的时域数值模拟。通过计算分析可以看出,该方法能捕捉SPAR平台在临界波浪周期下的耦合运动,验证了该方法的可靠性。     

深水Truss Spar水动力计算方法研究

为了研究深水Spar平台的运动特性,考虑平台与波浪的相对运动,对一座深水Truss Spar平台进行波浪载荷及运动响应计算。波浪载荷计算中Truss Spar主体和软舱采用3D势流理论计算,而垂荡板、桁架和立管系统采用线性化的Morison公式计算,同时求解中考虑系泊系统的影响。计算结果表明,Spar平台波频运动较小,而低频运动较为显著,其响应幅算子较大。     

系泊浮体在浅水波浪中运动响应的计算研究

对于船舶在浅水中的运动和锚泊系统响应问题,使用时域方法计算一艘起重铺管船在浅水无航速系泊状态下在波浪中的运动响应.基于三维频域势流理论,应用SESAM软件计算浮体在规则波中的频域水动力参数及运动响应.通过频域到时域的转换方法,得到浮体在时域中的水动力系数和不规则波的一阶与二阶波浪力.在时域内计算锚链拉力,再耦合数值求解浮体时域运动方程,得到其在不规则波中的运动时历.最后,采用本方法计算铺管驳船在多点系泊状态下,在浅水波浪中的6个自由度的运动响应和锚缆张力,并将计算结果与模型试验进行比较.分析表明本方法能够提供具有工程精度的船舶运动性能预报.     

桁架式Spar平台在波浪中的运动预报与实验测量

基于细长体水动力公式和刚体全非线性运动方程,以及桁架式Spar平台主体与其锚泊系统相互耦合的力和位移边界条件,建立了桁架式Spar平台在波浪中的运动响应预报模型,对其在波浪中的运动和锚泊力进行了预报。通过运动光学测量系统和拉力传感器在哈尔滨工程大学水池对Spar平台模型在波浪中的运动和锚泊力进行了测量。数值预报结果和实验测量进行了比较,结果表明二者符合得很好。     

8000kW救助船规则波下的运动与波浪载荷预报

随着数值计算技术的发展,船舶运动与波浪载荷预报精度也在不断提高。介绍了三维势流理论方法在规则波上船舶运动与波浪载荷预报中的应用,以8 000 k W救助船为例,预报了其运动与波浪载荷。通过应用三维势流理论,可以为船舶耐波性评估和结构设计提供依据。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件 WASIM基于时域势流理论,采用 Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模 DTMB5512为对象,采用 WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明：利用 WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用 WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件WASIM基于时域势流理论,采用Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模DTMB5512为对象,采用WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明:利用WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

波浪中破损船舶的运动响应研究

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者的相互影响机理十分复杂.本文重点研究波浪中破舱进出水对船舶运动响应的影响,文中首先基于势流理论建立了考虑破舱进出水的4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合时域预报方法,在计算中假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda's经验公式修正阻尼系数.然后以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了波浪中考虑破舱进出水的数学模型以及破舱进出水对运动响应的影响,并研究了不同自由度、破舱口位置对运动响应的影响.研究表明,本文基于势流理论建立的时域预报方法可以定量的预报破损船舶的运动响应.     

船体非线性波浪载荷的水弹性分析

本文采用水弹性分析方法研究船舶在规则波及不规则波中迎浪航行时的结构动力响应（运动、剪力和弯矩等）。确定流体载荷时应用了扩展的切片理论，其中计及由于船体的非直舷、剖面吃水的瞬时变化和船体振荡的非简谐特性所导致的非线性，同时还考虑了波浪冲击、出水和上浪的影响。运动方程是在时域内步进求解。数值计算结果与规则波中的模型试验相比较，符合程度令人满意。     

Effects of excitation angle and coupled heave–surge–sway motion on fluid sloshing in a three-dimensional tank

Sloshing waves in moving tanks is an important engineering problem, and most studies of this phenomenon have focused on tanks that are excited by forcing motion in a limited number of directions and with fixed excitation frequencies throughout the forcing. In practice, the excitation comprises multiple degree of freedom motion that potentially couples surge, sway, heave, pitch, roll, and yaw motions. In the present study, a time-independent finite difference method is used to simulate fluid sloshing in three-dimensional tanks filled to an arbitrary depth for various excitation frequencies and multiple degree of freedom motion. The numerical scheme developed here was verified by rigorous benchmark tests. The coupled motions of surge and sway are simulated for various excitation angles, frequencies and water depths. Five kinds of sloshing waves found under coupled surge–sway motions: diagonal, single-directional, square-like, swirling, and irregular waves. The effect of excitation angle on the frequency responses of different sloshing waves is analyzed and discussed in the present study. Further, the components of horizontal force of various sloshing waves are also presented. The coupled effect of surge, sway and heave motions is also discussed, and the results show that unstable sloshing occurs when the excitation frequency of the heave motion is twice the fundamental natural frequency. Moreover, the effects of heave motion on the different types of sloshing waves are explored. It is found that heave motion causes all of the sloshing waves to change type.     

船体在波浪中的非线性水动压力

本文提出了一个预报船体在波浪中大幅运动时非线性水动压力场的二维时域理论。船体扰动势用时域自由面格林函数和在入射波下的瞬时湿表面上的分布源求解；与非线性水动压力场相匹配的船体运动用差分法求得。为提高计算效率和避免数值过程发散，采用了改进的数值模型和方案。通过线性理论计算与模型试验结果的比较，指出了线性切片理论在预报水动压力场时的不足，水动压力与波高的非线性关系及正负水动压力沿船体表面的分布在Wigley船的计算比较中得到了说明。初步计算表明，该理论的实用化发展前景是令有鼓舞的。相应的计算机程序可在PC机上运行。     

Three-dimensional numerical wave tank simulations on fully nonlinear wave–current–body interactions

A finite-difference scheme and a marker-and-cell (MAC) method are used for numerical wave tank (NWT) simulations to investigate the characteristics of nonlinear wave motions and their interactions with a stationary three-dimensional body in the presence of steady uniform currents. The Navier–Stokes (NS) equation is solved in the computational domain, and the boundary values are updated at each time-step by a finite-difference time-marching scheme in the frame of a rectangular coordinate system. The fully nonlinear kinematic free-surface condition is satisfied by the marker–density function technique developed for two fluid layers. The incident waves are generated from the inflow boundary by prescribing a velocity profile resembling the motions of a flexible flap wavemaker, and the outgoing waves are numerically dissipated inside an artificial damping zone located at the end of the tank. Using the NS–MAC NWT, nonlinear wave and current interactions around a stationary vertical truncated circular cylinder are studied, and the results are compared with the experimental results of Mercier and Niedzwecki, a time-domain NWT based on linear potential theory, a fully nonlinear NWT, and a second-order diffraction computation. Received: July 3, 2001 / Accepted: September 25, 2001     

基于重叠网格的船舶运动计算方法研究

文章应用重叠网格技术和单相Level-set捕捉自由面方法,结合数值造波技术和六自由度运动方程,形成了基于RANS方程的船舶运动响应数值计算方法,并在中国船舶科学研究中心自主研发的船舶专用粘流计算软件OShip上实现。应用该方法计算了DTMB5512船模在迎浪规则波中的运动响应,并通过对计算得到的船模运动时历曲线进行傅里叶变换,提取其运动的幅值和相位,得到了不同航速下船模垂荡和纵摇运动的频响曲线,所得结果与试验结果吻合较好。     

用三维非定常欧拉有限元方法进行波体干扰计算

本文利用理想流体的欧拉方程和用有限元方法建立了波体干扰计算模型.在自由表面上应用了线性自由面边界条件,非定常的欧拉方程用分步法求解,并用时间步进积分法分别处理压力泊松方程,速度方程和自由面上的波浪运动.为了证明本文提出的计算方法,在自由面上摇荡的半球用于作为数值计算例,把计算结果与用不同的理论方法得到的结果进行了比较.     

桁架式Spar平台与系泊/立管系统的全时域非线性耦合动态分析

开发了对浮式平台系统进行耦合动态分析的全时域程序。采用二阶时域方法计算水动力荷载,在此方法中,对物面边界条件和自由水面边界条件进行泰勒级数展开,利用Stokes摄动展开分别建立相应的一阶、二阶边值问题,而且此边值问题的计算域不随时间变化。采用高阶边界元方法计算每一时刻流场中的速度势,利用四阶预报校正法对二阶自由水面边界条件进行数值积分。在自由表面加入一个人工阻尼层来避免波浪的反射。对于系泊缆索/立管/张力腿的动力分析,在一个总体坐标系中对控制方程进行描述,采用基于细长杆理论的有限元方法进行求解。在耦合动态分析中,采用Newmark方法对平台和系泊缆索/立管/张力腿的运动方程同时进行求解。利用开发的耦合分析程序对一个桁架式Spar平台的运动响应进行了数值模拟,给出了平台的位移和系泊缆索/立管上端点的张力,并得到了一些重要结论。