二维浮体在聚焦波浪作用下的高频共振响应研究

基于势流理论建立二维完全非线性数值波浪水槽模型,利用该模型对二维驳船结构在非线性聚焦波作用下的高频共振响应(ringing现象)进行了研究.引入高阶边界元方法解决边界值问题,应用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶龙格库塔法模拟结构物与波浪的相互作用.引入虚拟函数法耦合求解波浪载荷与物体运动.文中对聚焦波浪的传播特性进行了数值模拟,并将数值结果与试验值进行了对比验证.基于完全非线性数值波浪水槽,研究了聚焦波浪与结构物的相互作用问题,研究结果表明当聚焦波浪主频的三倍频等于或接近物体横摇方向固有频率时,物体在横摇方向将会产生ringing现象,在聚焦波浪经过浮体之后浮体仍会以高频振动的方式持续运动,进一步分析表明导致浮体发生ringing现象的入射波频率范围较大,在海洋结构物设计中应尽量避免入射波浪的三倍频接近浮体的固有频率.     

近岸波浪数学模型的发展

概要地介绍了国内外平面二维、垂向二维和三维波浪数学模型的研究进展及其应用情况,探讨了波浪数学模型的发展方向。     

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。     

船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究综述

系统阐述船舶波浪载荷预报的二维、二维半、三维方法以及水弹性力学分析方法,详细分析了完全弹性模型以及分段弹性模型的试验技术,并给出了船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究现状和发展趋势。作为一个自然的发展趋势,船舶水动力学的发展方向是从频域转向时域、从切片理论转向完全三维理论、从线性转向非线性以及从势流转向粘流。船舶波浪载荷模型试验目前广泛采用只模拟一阶垂向振动频率的均质梁来开展试验。     

海上浮式结构物的水动力仿真研究

基于粘性计算流体力学的方法建立三维数值波浪水池,模拟有限振幅波的传播,并计算三维球体在规则波环境下所受的波浪力。采用两相不可压的RANS方程求解非定常不可压缩粘性流体,并采用流体体积函数(VOF)法对自由面进行动态模拟。通过编写用户自定义函数(UDF)设置边界入口速度和波高,实现在波浪水池尾部1~2倍波长区域消波,最终求出有限振幅波的模拟结果以及规则波中三维球体所受的波浪力,该结果与势流理论边界元法得到的结果在趋势上吻合良好。该研究方法为模拟分析其他海洋结构物在波浪中的水动力奠定基础,丰富与扩展了数值波浪水池的应用。     

双船间隙水体运动特性及水体阻尼修正研究北大核心CSCD

[目的]旨在修正势流理论在计算小间隙双浮体系统时由于无黏假设导致的结果失真现象,研究间隙水体的运动响应特性。[方法]建立过驳双船系统CFD数值计算模型,分析间隙水体的响应特点及机理。之后将CFD计算结果与势流理论计算结果进行对比,获得准确的双船间隙水体修正阻尼系数,从而修正势流理论的计算结果。[结果]结果表明,不同频率的波浪通过双船间隙时波面升高变化趋势不同,对于低频波浪,入射波不能穿过双船间隙,间隙的波面升高小于入射波的波幅;对于高频波浪,入射波可以从双船的间隙穿越,间隙内波面升高大于入射波的波幅;在特定波浪频率下,双船间隙存在一个高速区域,对应的双船内侧动水压力降低,产生较大的吸力,可能对过驳作业造成不利影响。[结论]通过上述方法得到了更为准确的间隙水体修正阻尼系数,为过驳双船系统的高精度、快速水动力及运动性能计算提供了指导。     

海底地形对浮体慢漂响应的影响研究

浮体在波浪中的运动经常受到海底地形的影响,文章基于势流理论,采用高阶边界元方法计算海底地形对浮体慢漂运动响应的影响,计算中充分考虑了海底地形在波浪传播中对其的绕射影响。计算结果表明,变浅的海底地形会导致波浪场的波高增加,浮体运动响应增大,分别对浮体相对海底地形不同位置时浮体受到的波浪力和运动响应进行了定性及定量的分析,分析了浮体相对海底地形不同位置时浮体的水动力特性及运动特性,说明为了更准确模拟近岸或者离岸线性约束浮体的水动力情况,海底地形的影响不能忽略。     

气浮箱型结构在有限水深中的波浪力研究

以箱型气浮结构为例,通过气体绝热方程考虑气体的压缩性对气-水交界面处的非线性边界条件进行推导,基于二维势流理论通过特征函数展开和匹配渐进法建立了结构波浪力求解的解析解,对不同水深宽度比、不同吃水情况下的波浪力的幅频变化规律进行讨论。结果表明:随着吃水的增加,结构的水平波浪力呈增加的趋势,结构的垂向波浪力和波浪力矩呈下降的趋势;随着水深的增加,结构的波浪力呈下降的趋势,垂向波浪力引起的波浪力矩变化比水平波浪力引起的波浪力矩变化明显。     

超大型浮体波浪中的完整稳性研究

海洋超大型浮体通过多模块前后相连达数千米长,其完整稳性不同于常规的船舶与海洋平台结构物。论文假设超大型浮体为多模块刚性连接,在静水完整稳性分析的基础上,考虑波长、波高(波陡)、浪向、波峰波谷位置等波浪要素对其垂向弯矩的影响,计算结果表明:超大型浮体多个模块由于之间的刚性连接约束了相对位移和转角并且横向特性完全相同,其初稳性、大倾角稳性与单模块的特性一致;而通过变化波长、波高(波陡)、浪向、波峰波谷位置等波浪要素,求得的最大垂向弯矩随着模块数量的增加而有不同程度的增加,波浪中的初稳性、大倾角稳性较静水中亦有所不同。     

超大型浮体结构考虑非线性项的波浪力响应计算

为求解超大型浮体结构波浪响应问题,将其简化成弹性梁板模型。以有限元软件为基础来建立超大型浮体结构的弹性梁板模型,在势流理论的基础上,将速度势分解为入射势、绕射势和辐射势三部分,并利用格林函数法推导出一阶、二阶波浪速度势的表达式。以此为理论基础,编制了相应的计算程序来计算浮体结构所受到的二阶波浪力,最后建立了梁板模型的水弹性响应方程,对非线性波浪力作用下的浮体结构的水弹性响应进行求解分析,并分析了波向对响应振幅的影响。     

海上浮式风机在波浪作用下的动力响应分析

基于三维线性频域势流理论和脉冲响应函数方法计算时延函数与时域波浪力,利用准静定系泊模型来模拟系泊力,利用计算流体力学方法得到粘性阻尼系数,建立了风机在波浪作用下的时域运动方程.论文求解DeepCwind半潜式平台风机的动力响应,计算结果与试验值以及其他数值模拟结果吻合的较好,证明了方法的适用性.     

水槽侧壁对任意三维结构波浪力的影响

基于势流理论,采用高阶边界元法在线性频域内研究水槽中波浪对任意结构的作用。探讨水槽侧壁对垂直圆柱和方箱所受到的波浪力的影响,研究水槽宽度与入射波长以及结构特征长度之间的关系,重点研究横向立波的产生及其共振对结构受到的水平力和垂向力的影响。     

波浪与带有窄缝结构作用的非线性数值模拟

针对波浪与带有窄缝结构作用产生的流体共振问题,采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法并在窄缝内流体引入人工阻尼,建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维时域数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表文献的数值与实验结果对比,验证了模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了共振条件入射波浪非线性对反射波高、透射波高和窄缝内波高、及结构波浪荷载和压力分布的影响。     

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。     

波浪中两浮体水动力干扰模型试验研究综述

波浪中两浮体的水动力干扰问题主要来自于海上补给作业实践。目前,国内外已有多家水池机构可开展两浮体的零航速模型试验,而有航速状态下两船模型试验的数据十分稀少且珍贵。为此,文章重点介绍了国内外相关机构开展的两浮体间流体共振模型试验、零航速和有航速下的两浮体模型试验概况,并分析了波浪中有航速两船水池模型试验的主要技术难点。     

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.     

波浪中两浮体水动力干扰模型试验研究综述（英文）

波浪中两浮体的水动力干扰问题主要来自于海上补给作业实践。目前,国内外已有多家水池机构可开展两浮体的零航速模型试验,而有航速状态下两船模型试验的数据十分稀少且珍贵。为此,文章重点介绍了国内外相关机构开展的两浮体间流体共振模型试验、零航速和有航速下的两浮体模型试验概况,并分析了波浪中有航速两船水池模型试验的主要技术难点。     

粘性对方尾船波浪力的影响分析

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础.文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性.CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响.结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近.粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响.     

半潜式火箭发射平台的水动力性能

本文研究的火箭发射平台主体,为六立柱半潜型式。波高相对于特征长度为小量,考虑到波浪对平台主体大尺度结构的辐射和绕射作用,采用三维频域势流理论对其波浪载荷进行计算分析。对于横撑等小尺度构件,其直径远小于波长,波浪的绕射效应可以被忽略,而粘性作用十分重要,采用了修正的Morison方程对其求解。计算分析结果将为火箭发射平台水动力性能研究提供参考。     

FLNG-LNGC并靠外输系统参数对双体水动力性能的影响

针对FLNG关键技术的并靠外输问题,本文基于频域波浪势流理论建立FLNG单体和FLNG-LNGC双体水动力模型,并且结合上海交通大学水池模型实验和经典文献结果验证了数值算法的准确性.在此基础上,深入讨论了FLNG并靠外输系统单浮体水动力特性和双浮体的耦合作用.进一步通过改变系统参数(间距、装载状态、波浪入射方向和水面阻尼)建立不同的并靠外输模型进行参数敏感性分析,并且对FLNG-LNGC双船间水体共振规律进行探索.