不同锚泊方式下浮式防波堤砰击载荷及其运动响应研究

海上结构物在服役期间会遭受各种恶劣海况,浮式防波堤作为平台等结构物的掩体在波浪作用下产生上下浮动或者前后摆动,通过波浪的反射和耗散,扰乱水质点运动,最终实现消波减能,保护结构物的安全。在防浪消波的过程中,浮式防波堤受到显著的波浪砰击,其自身安全受到威胁,因此,准确预报其砰击载荷至关重要。本文运用CFD方法,基于STAR-CCM+软件,分别以锚链锚泊式浮式防波堤和垂直导桩锚泊式浮式防波堤作为研究对象,分析规则波作用下,浮式防波堤的砰击载荷及其运动响应,并进行对比分析。结果表明,2种锚泊方式下,浮式防波堤所受到的砰击载荷主要集中在迎浪面,均随波高的增大而增大,随周期的增大而减小,相同工况下,锚链锚泊式浮式防波堤所受砰击载荷较大。     

多刚体组合式新型浮式防波堤消波性能数值模拟分析

为提高浮式防波堤的消波性能,在传统方箱型浮式防波堤的基础上,提出了基于多体耦合运动理论的新型浮式防波堤构型。基于有限体积法建立浮式防波堤消波性能数值计算模型,并通过模型试验验证了数值计算方法的准确性。在此基础上,对规则波作用下不同多体耦合的新型浮式防波堤构型进行数值模拟,分析其水动力性能及消波性能。数值结果表明,新型浮式防波堤内部的多体耦合运动加剧了入射波能量的耗散,使得其消波性能比传统方箱型浮式防波堤更加优良,新型浮式防波堤的横荡、横摇和垂荡幅值也小于方箱型浮式防波堤,同时得到了多刚体铰接组合式防波堤中铰接刚体数量对其消波性能的变化规律,为浮式防波堤设计及工程应用提供技术支撑。     

多块多刚体铰接式浮式防波堤消波特性数值模拟

为研究浮式防波堤的消波机理,在方箱型浮式防波堤的基础上,提出一种多刚体耦合式浮式防波堤设计方法,将方型旋转体与防波堤主体通过旋转关节进行耦合,建立多刚体耦合模型。在此基础上,通过改变方型旋转体模型吃水以下的截面形状,设计出U型体和半椭圆型体浮式防波提铰接模型。基于多体耦合运动理论,采用基于有限体积法理论的STARCCM+软件建立浮式防波堤消波数值模型和计算方法,对3种不同铰接构型的多刚体耦合式浮式防波堤水动力性能及消波性能进行数值分析,研究各构型的消波性能。结果表明：多块多刚体浮式防波堤内部多系统耦合运动加剧了对入射波能量的耗散,有较为出色的消波效果,通过对比3种不同构型的铰接式浮式防波堤,得到了多刚体铰接式浮式防波堤消波性能及水动力响应变化规律。研究结果可为浮式防波堤设计及工程化应用提供技术支撑。     

二维浮式结构物与完全非线性波相互作用数值分析

基于粘流理论、流固耦合理论和自由液面追踪技术——VOF(Volume of Fluid)法,以不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程为基本控制方程,利用商用软件ANSYS Workbench的二次开发功能,建立了粘性数值波浪水池,数值模拟了完全非线性波的生成,计算分析了二维浮式结构物遭遇波浪的完全非线性现象,得到了甲板上浪水位高度和结构物的纵摇、垂荡、横摇等运动响应。结果表明:文中的方法可以用于波浪与浮式结构物相互作用的完全非线性数值模拟.     

局部波浪振荡对浮式防波堤消波效果影响分析

为获得浮式防波堤腔体内部波浪振荡对其消波效果的影响,基于CFD技术,建立含局部开口腔室结构浮式防波堤内外流场共同作用下的水动力响应数值模拟方法,通过试验数据对比分析,验证数值计算准确性。结果表明,浮式防波堤腔体内部波浪振荡可以有效提升消波效果,但腔内发生大幅波浪共振时,消波效果并不理想。在此基础上,考虑不同腔体模型对腔内波浪振荡和消波性能的影响,研究发现,在本文模型数据范围内,浮式防波堤局部开口腔室个数增多,使得腔内波浪振荡加剧,浮式防波堤消波效果提升。     

双排浮式防波堤透射系数分析

为研究双排浮式防波堤的水动力特性,本文通过数值模拟的研究方法,在AQWA软件中建立了双排浮式防波堤的数值模型,对正向入射波与一个双排浮式防波堤单元的相互作用进行了研究。在模型验证的基础上,分析了不同周期波浪作用下,锚链刚度、后箱吃水等因素对浮堤的透射系数的影响。结果表明:相同波浪下双排浮式防波堤的消浪效果要优于单排浮式防波堤。研究双排浮式防波堤的消浪性能,可以为实际工程提供一定参考价值。     

翼板浮式防波堤消波性能

随着近年来海岸工程与海上作业对浮式防波堤的需求不断增加,提出了一种带翼板的新型浮式防波堤。基于三维势流理论,对翼板浮式防波堤的消波性能进行了计算分析,并与传统方箱式浮式防波堤进行对比。证明了在较长周期的波浪中,翼板浮式防波堤拥有更好的消波能力。翼板浮式防波堤截面参数对消波性能的影响表明：1）箱体宽度越大、吃水越深,防波堤消波效果越好;翼板长度越长、角度越小,最优消波效果对应的波浪周期越长。2）适当调整截面参数,可以使翼板浮式防波堤适应更多的海浪环境、增加更多的适用场景。     

不规则波浪作用下带腹板型浮式防波堤的水动力特性研究

本文基于福州港松下港区拟建的浮式防波堤开展研究，建立不规则波浪与带腹板型浮式防波堤相互作用的数值模型，通过开展水槽试验，对该模型进行验证。进而对带腹板型浮式防波堤的水动力特性进行模拟分析，讨论波浪透射系数和锚链拉力的影响因素。结果表明，防波堤的消浪性能随吃水深度、腹板高度和浮箱宽度的增大而提升；在入射波浪有效周期接近纵荡自振周期时，锚链拉力显著增大，在浮式防波堤设计中，应使得结构纵荡自振周期远离设计波浪周期。研究结果可为实际工程设计提供参考。     

基于CFD流固耦合理论的海上浮式结构物水动力性能分析

文章利用流体动力学控制方程和结构运动方程的耦合理论,在具有造消波功能的2D数值水槽中实现了海上浮式结构物在波浪中运动过程的数值模拟。以系泊式浮式方箱防波堤作为工程应用实例,分别采用梯形法和二、三阶单步数值迭代法对浮体的动力特性进行数值分析,并与基于势流理论的边界元法的结果做对比,分析后发现在波浪条件下梯形法和二、三阶单步法的计算精度相当,结果收敛,且与边界元法结果吻合较好,满足要求。该文提出了一种新的全自由度分块结构移动网格技术,实现了浮体所有方向的联合运动,而且网格不发生任何扭曲现象,计算时间、网格划分和精度要求都得到了较好的控制。     

大尺度浮式结构物波浪荷载计算方法研究

本文依托某桥梁大型沉井,基于三维势流理论,运用流体动力学软件对大尺度浮式结构物波浪荷载进行了计算和分析。将数值模拟的计算结果与规范公式中采用趸船和直墙式建筑物方法计算结果进行比较分析,得出在沉井下沉过程中应采用的工程计算方法,为大型浮式结构物波浪荷载提供理论依据。     

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

以CFD理论为基础,建立了数值波浪水池,给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数测试与分析技术。对Wigley-III船模在数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟,计算分析了船体垂荡、纵摇及纵荡运动的附加质量与阻尼,并与三维势流理论计算结果进行了比较,两者吻合良好。此方法能准确给出浮式结构物的水动力系数,细致描述船舶周围的流场,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。     

考虑近岛礁复杂海底地形的浮式平台水动力性能分析

基于可以考虑复杂海底地形对波浪传播变形影响的水波模型和可以考虑波浪与浮式结构物相互作用的RANKINE源法,建立近岛礁浮体水动力性能直接分析耦合模型,给出详细的理论推导及数值求解方法,并编制了相关的计算程序THAFTS-BR。首先以均匀水深下百米级浮式平台为研究对象,通过与THAFTS和AQWA等商业软件的计算结果进行对比分析,初步验证了THAFTS-BR程序的正确性和可靠性。随后基于模型试验和前面建立直接分析耦合模型,对比分析了考虑近岛礁海底地形后该浮式平台的运动及载荷响应特性,给出了一些重要结论,为后续布置于岛礁附近的浮式结构物动响应分析、设计与建造等提供了参考依据。     

新型浮式防波堤水动力特性试验与数值研究

针对一种新型浮式防波堤开展水池物理模型试验,在规则波和不规则波中考察波浪的浪向角、波高和周期对防波堤消波性能的影响。基于CFD软件建立了三维数值模型,取得了与模型试验比较一致的结果,验证了数值方法的可行性。数值和试验结果表明,在不同浪向角下新型防波堤的消波效果不相同,波高变化对消波效果的影响较小,而波浪周期对消波效果影响较大,周期越小,消波效果越好。对于周期不大于6s的波浪,该新型防波堤能达到超过50%的消波效果。该新型防波堤型式和数值计算方法可为后续浮式防波堤设计选型和分析提供参考。     

弧型布置的浮式防波堤水动力响应分析

非直线型布置的浮式防波堤对多浪向的掩护效果更佳,但其水动力响应相比直线型结构更为复杂,能否满足工程设计要求亟待研究,对此提出浮式防波堤弧型布局设计方案.基于三维势流理论对弧型布置的浮式防波堤的水动力性能进行频域和时域分析,计算得到运动幅值响应算子.在此基础上,考虑环境载荷和系统系泊与防波堤之间的耦合作用,研究其运动响应和系泊缆张力,并将所得结果与直线型布置的浮式防波堤数值计算结果相对比.分析结果表明:直线型布置的浮式防波堤在横浪作用下的横摇响应剧烈,在斜浪作用下存在横倾角;弧型布置的浮式防波堤在横浪和斜浪作用下的运动相对稳定,水动力性能表现更佳.     

多体浮式防波堤消波特性数值模拟

多体浮式防波堤消波特性是决定其应用价值的重要因素,基于三维势流理论,通过使用Ansys Workbench软件和AQWA Graphical Supervisor(AGS)图像后处理软件,对多体浮式防波堤在不同入射角和浮筒吃水深度下的消波效果展开研究。结果表明,在入射角度为90°时,多浮筒浮式防波堤能够最大程度地消减波浪。同时,透射系数随吃水深度的增加而不断减小,但结构稳定性会下降。因此,实际工程中应尽量保证浮式防波堤的迎浪面与波浪的来波方向垂直,这样可以获得较好的消波效果,同时应尽量避免选择吃水深度过大的浮式防波堤。     

不规则波浪的数值模拟

优良的波浪环境条件是研究非线性波浪和浮式结构物相互作用问题的基础.文章在数值波浪水池中对不规则波浪进行了数值模拟,造波通过摇板的运动实现,消波通过在水池后段设置消波区实现,自由液面由VOF方法捕捉.对计算所得的波浪时历进行谱分析并将所得谱与理论谱进行了比较,吻合良好.     

浮式防波堤消浪特性数值模拟与物理模型试验研究

近年来,随着我国环保意识不断的增强,海洋环境问题日益受到关注,工程实施往往要兼具生态、景观等问题,因此浮式防波堤越来越得到人们的重视和认可,主要应用在渔业养殖、游艇码头等工程。本文通过物理模型试验和基于势流理论的数学模型两种手段,针对几种不同结构形式的浮堤进行了初步研究,探讨结构形式、水深、波浪周期对浮式防波堤消性能的影响。研究结果表明:在结构不很复杂的情况下,数值模拟计算结果与物理模型较为接近,可作为前期方案论证和比选阶段的主要研究手段;浮式防波堤的消波性能均随着波浪周期的增大而逐渐降低,经过优化后带有水平板的结构消波效果更好,当波浪周期为5s时,消波系数为26%;但当波浪周期增大到9 s后,消浪效果不理想,为8%。     

波浪作用下斜坡上护面块体应力分布的数值模拟

文章基于SPH方法和FEM/DEM方法建立了SPH-FEM/DEM的二维流固耦合数值模型,模拟了在波浪荷载作用下斜坡上的护面块体内部的应力分布。结构物的水动力条件采用SPH方法模拟,结构物边界采用虚粒子模拟,护面块体结构的受力、运动和变形采用FEM/DEM方法模拟。不同块体间的接触力采用基于势函数的罚函数法来计算,采用中心差分的显式方法来求解有限元单元的变形。应用ANSYS软件和数值模型对静水压力作用下的混凝土方块的内部应力分布进行了比较模拟分析,验证了所建立的耦合数学模型。通过数值计算给出了波浪作用下位于斜坡上的护面块体的动水压力和块体内部的应力分布,讨论了块体内不同角点位置处的应力变化特性。     

浮式防波堤形状对挡浪消波效果的影响分析

为探究典型海况下不同形状浮式防波堤的挡浪效果,使用势流理论,考虑入射波、绕射波和反射波的作用,对提出的4种典型形状浮式防波堤的挡浪效果进行对比分析,并讨论不同波浪周期下浮式防波堤的挡浪适应性.该数值模拟方案具有可行性,数值模拟结果具有一定的参考价值,可以为后续各临时挡浪设施选型研究提供参考.     

新型捕能消波浮式防波堤数值模拟与试验研究

采用数值模拟和物理试验研究方法,研究了新型捕能消波浮式防波堤savonius型桨叶两种布置形式的捕能及消波性能。利用STAR-CCM+数值仿真软件,通过调用重叠网格、时间二阶离散、增加数值迭代的方法,建立了浮式防波堤三维水动力模型并进行数值模拟。研制了该防波堤物理试验系统,测试浮式防波堤捕能消波性能,综合分析数值模拟与物理试验的结果。结果表明,该新型浮式防波堤在桨叶转动频率与波浪频率相近时捕能功率最大,桨叶并列布置方式的消波性能比桨叶垂直布置方式更为优越。