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。     

FPSO内孤立波载荷特性数值研究

文章将KdV、eKdV和MCC内孤立波理论应用到内孤立波数值模拟水槽入口速度条件计算,讨论内孤立波与浮式生产储卸油装置FPSO强非线性作用问题。结果表明,数值模拟所得FPSO内孤立波水平载荷、垂向载荷及力矩与实验结果相吻合,内孤立波载荷主要由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,粘性压差力很小,可以忽略;在水平载荷中,摩擦力较压差力约小一个量级,流体粘性的影响不可忽略;在垂向载荷中,摩擦力比压差力小很多,在分析时可以忽略流体粘性的影响。由于FPSO始终处于上层流体中,对内孤立波的模拟波形和其诱导流场的影响很小。波浪压差力可利用傅汝德-克雷洛夫公式基于动压力进行计算,而水平载荷中的摩擦力则需根据内孤立波诱导速度的切向分量对FPSO吃水湿表面求积分的方法进行计算。     

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.     

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（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。     

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。     

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.     

水下航行器内孤立波载荷形成机理数值模拟研究

弄清水下航行器内孤立波载荷形成机理是分析内孤立波对航行性能影响和控制研究的基础和前提。采用数值模拟方法深入分析模型位于内孤立波波面上方、穿越波面、位于波面下方3种情形下,模型受内孤立波流场水动力作用和分层密度差静力作用过程,对比不同潜深时纵向力、垂向力和俯仰力矩特性差异。研究表明,穿越波面的情况下,模型所处的流体密度变化,起了决定性作用,垂向力比纵向力大一个量级;穿越波面时,艏艉浮力不平衡,俯仰力矩有极大值和极小值出现;模型始终位于波面上方或下方时,受内孤立波流场的影响,其水动力性能也产生了明显的变化。     

内孤立波环境下半潜式平台受力研究

在2层流体基本假设下,通过实验分别研究不同波浪入射角下,作用在半潜式平台立柱群和沉箱群上的内孤立波载荷特性。实验结果表明:在任意迎流角下,作用在立柱和沉箱各部分的载荷峰值均随波幅增大而线性增大,并且波的传播方向对力的峰值有显著影响。在相同波幅、相同分层比下,当来波方向与平台中纵剖面不平行时,沉箱群水平载荷峰值在迎流角为90°时达到最大;当来波方向与平台中纵剖面平行时,水平载荷峰值最小。同时,波的传播方向对沉箱群垂向力以及立柱群水平载荷的峰值影响可以忽略不计。     

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。     

规则波作用下开孔沉箱波浪力计算方法的试验研究

通过二维规则波波压力试验,对规则波作用下无顶板开孔沉箱所受到的波浪力进行了系统研究。针对开孔沉箱由于具有特殊的消浪室结构导致其所受到的总水平与总垂直波浪力存在相位差,给出了相位差的计算公式,提出了开孔沉箱波浪力峰谷值时刻同步波浪力的计算方法,为开孔沉箱的工程应用提供了有价值的结果。     

波浪作用下陡坡和缓坡地形对护岸工程的影响

波浪是护岸工程设计的主要动力因素,实际工程建设中,港区内航道、港池的开挖形成陡峭边坡,会使作用在护岸上的波浪形态发生显著变化,从而对护岸结构产生不同影响。为探寻不同波浪形态下护岸越浪量及波压力等变化规律,通过波浪水槽断面试验,测量了斜坡式护岸堤前波高、胸墙越浪量和波压力,研究陡坡和缓坡地形对护岸的影响。结果表明,护岸前存在陡坡和缓坡地形时,波浪对护岸的作用有明显差别。在陡坡段护岸,波浪主要在护岸中部破碎;缓坡段护岸,波浪主要在护岸上部破碎。相对而言,陡坡段护岸的堤前波高较小,越浪量较少,胸墙水平力变大,浮托力变小。由于反浪弧的影响,胸墙水平力试验值远大于规范计算值,浮托力与规范值较为接近。     

不同受力状态下沉入式大圆筒结构入土深度计算方法

沉入式大圆筒结构是一种适用于软土地基的码头、海岸及近海工程水工建筑物,沉入式大圆筒结构入土深度确定是该种结构稳定性设计的关键内容。假设圆筒绕筒轴线上某一点和绕筒母线上某一点转动二种变位模式;根据作用于圆筒上竖向力的大小,土对筒壁的摩阻力考虑竖直向上和向下二种情况;在土对筒壁的摩阻力竖直向上的情况下,考虑背离转动方向一侧地基土对筒底的反力作用。根据水平力、竖向力和力矩平衡条件,建立了沉入式大圆筒结构入土深度计算方法,对现有方法做了修改和完善。结合工程实例,对不同计算模式进行了比较分析,并研究了作用于圆筒上的竖向力和水平力对入土深度的影响。     

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。     

An improved method for estimating internal solitary waves force on small circular cylindrical structures

Theoretically calculation and laboratory experiments were performed to investigate the horizontal force exerted by internal solitary wave (ISW) on small circular cylindrical structures. Improvement in calculation of drag force and inertia force by introducing two-drag-coefficient method and spatial derivative of velocity into the calculation of force by eigenfunction was made based on systematically study on theoretical foundations. Particle image velocimetry (PIV) method and high precision force sensor were used to measure the velocity and force exerted by ISW, respectively. ISW waveform was traced by analyzing image frames follow grayscale threshold method. For the first time, components of horizontal force were calculated from PIV data, which show good agreement with theoretical one. Moreover, series comparisons between experimental data and calculational results were carried out to examine the proposed method. The results show ideal accuracy of the method and significant improvement comparing to the traditional method.     

6750箱集装箱船非线性波激振动和颤振响应分析

本文采用三维时域非线性水弹性方法分析了一艘6750箱集装箱船的水弹性响应以及运动和垂向弯矩特征。通过考虑入射波力、静水恢复力、砰击效应的非线性,研究了在恶劣海况下船体的非线性运动和垂向弯矩响应,同时分析了波激振动及颤振对垂向弯矩的影响。数值计算结果表明:(1)非线性入射波力对运动的影响较小,但是对垂向弯矩的影响较大,使得其有明显的倍频成分,同时中垂弯矩显著大于中拱弯矩。另外,非线性入射波力也引起了明显的非线性波激振动;(2)非线性静水恢复力对运动和载荷的影响均较大,但是没有引起明显的非线性响应。非线性计算的垂荡响应小于线性结果,而纵摇和垂向弯矩响应大于线性结果;(3)砰击效应对运动的影响较小,但对垂向弯矩的影响较大,砰击效应引起了显著的船体弹性高频振动,增大了载荷幅值,但是其引起的合成中垂和中拱幅值相差不大;(4)非线性水动力的作用主要引起垂向弯矩的倍频响应,包括倍频可能引起的二节点垂向弯矩弹性共振,而砰击效应主要引起船体二节点垂向弯矩共振;(5)本文的非线性水弹性响应计算结果与Kim给出的数值计算结果吻合很好。     

1/4 圆弧面沉箱防波堤设计分项系数研究(英文)

The quarter-circular caisson breakwater (QCB) is a new type of breakwater, and it can be applied in deepwater. The stability of QCB under wave force action can be enhanced, and the rubble mound engineering can be less than that of semi-circular breakwaters in deepwater. In order to study the wave force distribution acting on the QCB, to find wave force formula for this type of breakwater, firstly in this paper, the distribution characteristics of the horizontal force, the downward vertical force and the uplift force on the breakwater were gotten based on physical model wave flume experiments and on the analysis of the wave pressure experimental data. Based on a series of physical model tests acted by irregular waves, a kind of calculation method, which was modified by Goda formula, was proposed to carry out the wave force on the QCB. Secondly, the reliability method with correlated variables was adopted to analyze the QCB, considering the high correlation between wave forces or moments. Utilizing the observed wave data in engineering field, the reliability index and failure probability of QCB were obtained. Finally, a factor Q=0.9 is given to modify the zero pressure height above SWL of QCB, and wave force partial coefficient 1.34 to the design expressions of QCB for anti-sliding, as well as 1.67 for anti-overturning, were presented.     

带1/4圆弧面胸墙的沉箱防波堤的波浪力研究

基于带1/4圆弧面胸墙的沉箱防波堤的波浪水槽物理模型试验,通过对试验中获取的堤身及上部结构波浪压力数据的分析,得出波浪作用下防波堤水平力、胸墙竖向力和防波堤基底浮托力的分布特性,并通过对试验结果的计算分析,提出对合田公式的修正方法,该修正公式适用于带1/4圆弧面胸墙的沉箱防波堤的波浪力计算。