U型水舱在船舶中的垂向布置问题

基于“船舶－被动式U型减摇水舱”系统运动微分方程，分析了U型减摇水舱在船舶中的垂向位置对船舶横摇质量惯性矩、横摇复原系数、横摇固有频率、船舶与水舱的耦合惯性矩等系统方程参数及对船舶横摇运动和舱内液体运动的影响。结果表明，水舱垂向位置高船舶横摇中心越远，由舱内液体引起的船舶横摇质量惯性矩和横摇复原系数越大，船舶横摇固有频率则越小。而耦合惯性矩则随水舱布置高度的变化呈减小的趋势。对于各种不同类型的船舶，存在一个使舱内液体不发生振荡的奇异位置，这时水舱不产生任何的减摇效果，船舶的横摇运动与不安装水舱时相同。利用我校所研制的减摇水舱模型性能摇摆台进行了水舱模型不同垂向布置时的强迫振荡试验，试验结果与仿真结果具有很好的一致性。指出了除水舱固有频率和水舱阻尼外，水舱在船舶中的垂直方向位置也是影响水舱减摇性能和船舶减摇后的横摇运动的主要因素之一，在减摇水舱设计初期应当予以考虑。     

参数频率响应法在"双水舱"系统中的应用

使用两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱能给横稳心高变化范围很宽的船舶提供很好的减摇效果,本文给出了参数频率响应法,推导了装备两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱的船舶横摇频率响应函数,分析了影响船舶横摇频率响应幅值的水舱参数。通过仿真详细研究了水舱参数对船舶横摇减摇的影响。研究结果对于双被动式U型减摇水舱的设计具有重要的指导作用。     

非线性条件下被动式减摇水舱仿真研究

减摇水舱作为一种常见的减摇装置,人们对它进行了很多研究.分析减摇水舱常用的是线性数学模型,但是线性模型仅适合小幅横摇的情况,而且忽略非线性因素的影响对减摇水舱的减摇效果分析也有影响.文章研究了考虑非线性因素的情况下,减摇水舱的特性.使用Matlab/Simulink对被动式减摇水舱进行建模,解决了非线性模型难以解算的问题.     

基于Matlab的船舶减摇水舱自动控制与仿真研究

稳定性是船舶航行质量的重要指标,远洋航行的船舶受到海风、海浪的影响,往往会发生横摇、振荡等运动。其中,横摇是指船舶在风浪作用力下产生的周期性摇摆运动,甚至会引起船舶发生倾覆等危险事故。因此,船舶工业领域投入了大量的物力、财力开发船舶的减摇装置,常见的减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱等。减摇水舱依靠船舶横摇运动的能量使水舱内的水流动,产生的力矩可以有效地降低船舶横摇,具有结构简单、成本低、易于控制等优点,广泛应用于集装箱运输船、科学考察船等。本文针对船舶的减摇水舱,在仿真平台Matlab中研究了减摇水舱的自动控制系统,并进行了减摇水舱的结构优化设计和控制响应的仿真。本研究对改善船舶减摇水舱的自动化水平,提高结构强度有一定的指导意义。     

横倾船舶三维非定常扰动势流特性

当船舶出现破损淹舱或者在波浪中做横摇运动时,船体都会出现横倾,这会使得船舶在水面下的湿表面与正浮时不再相同,船体周围的非定常流场因此会发生改变。本文基于三维线性势流理论,使用奇点分布法对具有不同横倾角的Wigley III船型的非定常扰动速度势展开计算,进而求解Wigley III船型水动力系数与波浪激励力。计算结果表明,横倾对垂荡、横摇、纵摇水动力系数的影响比较明显;在顶浪下,横倾对横向的波浪激励力影响显著。     

可控被动式减摇水舱随机控制策略研究

在"船舶-可控被动式减摇水舱"系统数学模型基础上,根据安装减摇水舱的船舶在随机海浪作用下的横摇运动特点,利用成型滤波器以及在线辨识方法对"船舶-可控被动式减摇水舱"系统横摇运动进行预报,并利用预报信息以及实时测量信号对减摇水舱内液体进行控制,实现船舶横摇运动与水舱内液体运动的相位控制,使减摇水舱在不同航态以及不同海情下均有较好的减摇效果.     

舱养式深远海养殖平台的水动力及单点系泊特性

建造深远海养殖平台对我国海水养殖业具有重大意义,舱养式养殖平台作为创新型特殊船舶,应对其水动力及系泊问题进行针对性研究.在频域内研究6对大型养殖水舱对横摇水动力性能的影响,根据系泊要求建立单点系泊系统,进行时域耦合系泊分析.分析结果表明,养殖水舱对平台水动力特性有不可忽略的影响;平台在长时间经历极端工况后会产生较大的"鱼尾运动".研究结论对此类新型海上结构物的系泊安全研究具有一定的参考价值.     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化和模型试验

为进一步掌握平面被动式减摇水舱内水位的变化对减摇效率的影响规律,以某万吨级溢油回收船为研究对象,选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况下的不规则波模型试验,对减摇水舱内水位的变化对目标船固有周期、阻尼特性和减摇效率的影响规律进行对比分析。研究结果表明:水舱内的水位增加对目标船的横摇固有周期和阻尼系数都有影响;当水舱内的水位在水舱总高的50%以内时,减摇效率随水位的增加而提高;当水舱内的水位在水舱总高的50%~60%范围内时,减摇效率最高;当水舱内的水位在水舱总高的60%以上时,减摇效率有下降的趋势。     

基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。     

JD槽型水舱特性和减摇性能预报

槽型减摇水舱尺度的变化对船横摇运动有一定的影响。根据上海交大船舶流体力学研究室槽型减摇水舱模型试验的结果,给出JD槽型水舱的阻尼系数值。 用渡边理论和Conolly理论计算了不同排水量和横摇周期时,船装槽型减摇水舱后的横摇响应曲线。用ITTC双参数海浪谱预报了不同有义波高时水舱的减摇效果。 通过回归分析给出槽型水舱减摇效率的计算公式,并与试验资料进行了比较,表明计算公式是满意的。 给出船在安装JD槽型水舱计算减摇效率的公式和图谱以供初始设计时使用。     

船载养殖水体纵摇运动下流场特性数值分析

发展以大型游弋式养殖工船可为深蓝渔业提供新的养殖手段。本文基于STAR-CCM数值计算软件研究了纵摇运动下养殖液舱内流场特性和壁面压力,建立了养殖液舱内适渔性的评估方法。典型海况中船舶纵摇运动对养殖液舱中流场的影响研究表明：当养殖液舱纵摇频率一定时,液舱内流速及壁面压力随纵摇幅值增大而增大；当养殖液舱纵摇与养殖水体发生共振时,液舱内流速及壁面压力急剧增大,对养殖对象安全及结构强度均有较大不利影响。对于海上养殖工船的养殖安全运行,选择风浪流条件合适的渔场,结合船体耐波性研究,优化船体型线,调节养殖舱水体固有频率,避开共振运动,是养殖工船适渔性研究的一个重要方向。     

两种运动平台下晃荡冲击荷载的实验研究

由液体晃荡引起的冲击荷载主要与外部激励(激励频率和激励幅值)和装载率相关。大尺度物理模型实验通过运动平台在室内复现液舱的运动,进而实现在室内对储液舱内晃荡载荷的研究。因此,平台的运动能力、运动的精确性对液体冲击载荷的实验结果非常关键。为了研究不同类型运动平台的运动性能及其对储液舱内冲击载荷的影响,文中以大比尺二维矩形舱为模型,分别在单自由度运动平台和六自由度运动平台开展系统的液体晃荡冲击实验。实验结果表明:仅考虑水平运动,单自由度平台的精度要高于六自由度平台;在个别工况下,两个平台下冲击荷载时程和特征值的对比结果出现了一定差别,但是晃荡冲击荷载的整体趋势基本一致。通过评价单自由度和六自由度两种类型的运动平台在液体晃荡研究领域应用的适用性,为大尺度室内晃荡模型实验中运动平台的选择提供参考     

Load effects on vessel-shaped fish cage steel structures,nets and connectors considering the effects of diffraction and radiation waves under irregular waves

Vessel-shaped fish cages are mainly composed of a large floating body, aquaculture nets and a number of steel frames. Due to the large scale of vessel-shaped fish cages, the velocity field induced by the diffraction waves and radiation waves cannot be ignored in the calculation of the loads on the net and steel frames. In turn, the loads can affect the wave-induced response of the floating body and hence the radiation waves as well as the sectional forces. In this paper, a novel method is proposed to consider the coupling effect. First, considering the irregular waves in short-term periods, the global response of the floating body is calculated in the time domain by the state-space method based on potential flow theory. Meanwhile, the velocity field considering the influence of the floating body is built according to the velocity transfer function. Then, the Morison formula is used to calculate the loads on the nets and the steel frames. Finally, the coupling achieved through numerical iterations is considered in the calculation of the twine tension, load effect of connector and the global cross-section under irregular waves. It is found that the diffraction and radiation waves make a significant difference in the twine tension and connector load effect.     

液舱内流体晃荡特性数值研究

本文利用VOF法对矩形液舱内液体晃荡进行数值计算。首先对舱内无任何隔板时液体晃荡作了模拟,并与相关文献中的实验结果进行了比较;然后在舱底中间设置一道不同形式的防晃隔板,对液体晃荡进行了计算。从结算结果看,本文提出的方法可以用于分析液舱内液体的运动和载荷,为设计合理的液舱结构形式提供理论依据。     

不同浸没深度下水平圆柱体的水动力特性试验研究

顺应式的漂浮柔性圆柱型结构物,如深海养殖结构物的浮圈结构、波浪能发电装置的浮体部分等,大多是部分浸没的。目前,学术界和工程界对部分浸没圆柱的水动力特性了解甚少,也使这些新型结构物在设计和分析时面临着一系列的困难。文章利用在拖曳水池中对水平圆柱进行强迫振荡的试验方法,研究了不同浸没深度的水平圆柱体在流、波浪以及波-流耦合作用下的水动力特性,获得了拖曳力系数和附加水质量系数在不同浸没深度下与Reynolds数、KC数和Vr的关系。通过研究发现:(1)在纯流作用下,由于自由液面的存在,超过半浸没的圆柱体的拖曳力系数在超临界范围内将大于全浸没圆柱;(2)在波浪作用下的半浸没圆柱的水动力系数完全不能等同于全浸没圆柱的一半来进行考虑;(3)流的存在对水动力系数的影响比较显著,会导致惯性力系数的增大。     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

Numerical modelling of hydrodynamic responses of Ocean Farm 1 in waves and current and validation against model test measurements

With the continuous growing of the aquaculture industry and increasingly limited fish farming sites at close to shore areas both in Norway and worldwide, there is a need to develop fish farms suitable for aquaculture production in typical offshore environments. For this purpose, SALMAR has developed and deployed the Ocean Farm 1 facility for offshore fish farming.The main purpose of this paper is to develop a reliable numerical model and investigate the motion responses of the Ocean Farm 1 structure in waves and current. The established numerical model consists of the Ocean Farm 1's frame structure (with rigidly-connected circular column components), the net and the mooring system. The hydrodynamic external loads and coefficients of the frame structure are obtained by using potential flow theory. The quadratic drag load on the individual circular columns of the frame structure is formulated by a given drag coefficient. The loads on the net are formulated by using the screen model, where the Reynold number dependent lift and drag forces are formulated as a function of the solidity ratio Sn of the net, relative inflow angle and velocity. The hydrodynamic loads on the mooring lines are formulated using the Morison's equation and the structural responses of the mooring lines are obtained using a nonlinear FE model.With the developed numerical model, time domain simulations are performed. The simulation results are firstly validated against measured data from the decay tests, current tests, and regular wave tests. After the validation, numerical simulations are performed in different irregular wave and current combined weather conditions and the obtained motion response of Ocean Farm 1 are discussed and compared with available measurement data.     

液舱晃荡与FPSO波浪运动相互耦合时域分析

浮式生产储油轮（FPSO）长期在外海作业,其液舱晃荡现象始终存在。文中对船体外流场采用非线性势流理论,对液舱内流场采用线性势流理论,应用脉冲响应函数法,基于法国船级社（BV）的综合性水动力分析软件HOMER,计算了FPSO在考虑液舱晃荡作用下的时域运动响应,并对晃荡压强进行对比分析。结果表明：液舱晃荡对FPSO运动具有一定的影响,且该影响在迎浪船舷的运动上更为明显,同时迎浪船舷液舱晃荡产生的压强也更大。     

Comparative assessment of liquid sloshing in dry and wet storage tank of floating offshore platform

In order to explore the characteristics of the single-layer liquid sloshing in offshore dry oil storage tank and the two-layer liquid sloshing in offshore wet oil storage tank, two series of experiments were carried out: one was free surface sloshing in a closed rectangular tank partially filled with colored water, and the other was interfacial sloshing in the identical tank but completely filled with white oil and colored water. The tank was mounted on a shake table and was subjected to harmonic horizontal excitation with different excitation amplitudes and a wide range of excitation frequencies, including the first seven natural modes of single-layer or two-layer liquid system. The present study find that the frequency responses of interfacial sloshing wave are analogous to those of the free surface sloshing wave, but smaller in amplitudes. The experiments also produce results that are unique to the two-layer liquid sloshing. For example, when the external excitation frequency is equal to or close to the odd mode natural frequency of two-layer liquid system, a complicated three-dimensional (3D) gravity-capillary wave might be generated at the oil-water interface. Finally, the comparisons of free surface and interfacial sloshing in the viscous damping ratio, higher sloshing modes, impact pressure amplitude and mass center displacement were conducted, which revealed the superiority of wet storage technology in structural safety and dynamic stability.     

基于鱼类分布与水力特性的鱼道进口布置方案比选

鱼道进口布置方式直接影响鱼道的诱鱼效果和过鱼效率。以临淮岗枢纽为例,通过构建二维宽浅河道水流流场数值模型,对典型工况下枢纽下游河道流场进行精细模拟,并结合河段鱼类分布的水声学调查结果,对3种不同鱼道进口布置方案进行比选。结果表明：临淮岗闸门下游左右岸流速满足鱼类适宜条件,且靠近鱼类聚集区域,均满足鱼道进口布置条件,可综合考虑经济效益、施工难度、工程安全性等确定布置方案,并建议相应调整闸门运行方案。