浮框系泊系统的水动力研究

深水网箱养殖产业在国内发展迅速,但基础理论研究相对落后,在近海风浪条件下的安全可靠性缺乏理论依据.本文对深水网箱实际工况进行简化,得到简化的浮框系泊系统的水动力模型.通过力学分析,推导出的浮框模型的6自由度方程并编制了数值模拟程序,得到浮框系泊系统的水动力特性,发现锚绳仰角偏大的现象并提出了解决方案,为网箱等飘浮性结构物的水动力计算提供了依据.     

以Rankine源三维面元法求解三体船纵摇与升沉运动

为对三体船的纵摇与升沉运动进行分析,将三维面元法用于三体船在波浪中的纵摇和升沉计算。依据Rankine源格林函数,基于有航速势流理论建立理论计算模型和数值计算方法,对数学三体船型纵摇、升沉运动响应进行计算,并对计算结果规律进行分析。同时,还对其数值进行模型实验验证。根据计算结果,针对侧体布局对三体船在波浪中纵向运动的影响进行了分析。     

基于扩展卡尔曼滤波的潜艇垂直面运动参数估计

潜艇水下航行环境复杂,现有测试技术无法对潜浮速率和纵倾角速度进行精确测量,论文中以潜艇垂直面非线性运动方程为基础,利用扩展卡尔曼滤波原理,得到潜艇垂直面参数的实时估计方法.仿真结果表明,该方法估计的潜浮速率、纵倾角速度有很高的精度.     

滑行艇海豚运动稳定性分析的仿真验证

首先引入滑行艇纵摇-垂荡耦合的数学表达方程,再对艇体的回复力系数、附加质量、阻尼系数进行了求解和简化。通过引入Routh-Hurwitz稳定性判据,对纵摇-耦合方程进行转化和推导。通过Matlab GUI界面编程设计,对给定参数的模型进行仿真。得到了航速对滑行艇纵倾角、长宽浸湿比的影响规律;验证了船体重心纵向位置对于海豚运动临界稳定速度的影响规律;得到了稳定性参数和船宽弗劳德数的关系曲线。研究成果对于改善滑行艇海豚运动具有理论指导意义。     

滑行艇升沉纵摇运动的二维数值预报

基于CFD软件对滑行艇二维简化模型在均匀来流中的运动响应进行数值分析。根据滑行艇的流体动力数值计算结果实时求解滑行艇的运动响应特性,对4种不同傅汝德数下滑行艇的纵摇与垂荡耦合运动特性进行研究,得到艇体升沉幅值、纵摇角随时间的变化特性,以及阻力、升力和力矩随傅汝德数的变化规律,并分析了艇体达到稳定状态所需时间和滑行过程中艇底动压力的变化特性。研究表明:傅汝德数1.5时达到稳定滑行状态的时间仅为80 s;除了在傅汝德数2.0时发生严重振荡,其余3种情况下滑行艇均能够趋于一种"动平衡"状态。     

深V型滑行艇纵向运动试验研究

深V型滑行艇模型纵向运动试验研究表明：规则波中,升沉响应的平均值与静水航行时的重心升高极为接近,纵摇响应的平均值与静水航行时的纵倾较为接近,证实了相同航速下滑行艇在波浪中航行的纵向运动是相对于静水浮态的升沉纵摇运动;随着航速的增加,升沉响应峰值、纵摇响应峰值、垂向运动加速度峰值都向长波方向移动;速度较高、波幅较大时,升沉、纵摇、垂向运动加速度是非线性的。     

船艉开槽型安装船及其运动特性数值分析

浮托法作为一种成本低、耗时少的大型组块安装方法,被广泛应用于海洋平台的安装中。为将浮托法应用于东海海域平台组块的安装,需开发能适应东海长周期涌浪的海洋环境的浮托安装船。提出一种船艉开槽型海洋工程安装船,并根据安装船安装上部模块时对运动响应极值的限制,设计系泊系统。考虑东海长周期涌浪和短周期风浪以及风、流的联合作用,采用三维势流理论和非线性时域耦合分析方法,计算安装船在系泊状态下的时域运动响应极值,并分析校核系泊系统的安全性。研究结果表明,长周期涌浪主要影响安装船在系泊状态下的波频运动,包括垂荡、横摇和纵摇,安装船运动响应极值满足导管架上部模块安装施工要求,系泊系统安全性也满足要求。     

基于离散元方法的极地浮碎冰区船舶冰阻力

采用离散元方法建立浮/碎冰模型,结合欧拉多相流VOF方法数值模拟船舶与浮/碎冰之间的接触碰撞过程。重点对比分析船、冰作用过程中Hertz-Mindlin模型、Linear Spring模型和Walton Braun模型3种接触力计算模型对船-冰作用形式和冰阻力数值的影响。结果表明,在同一工况下,3种接触碰撞模型对船体周围碎冰运动模式变化的影响一致。对于船体所受冰阻力,通过分析船长方向和船宽方向的冰阻力数值,并将计算结果与采用Du Brovin经验公式计算得到的结果相对比,得出采用Linear Spring接触力计算模型计算得到的阻力幅值发散低,数值相对稳定,计算误差较小,为极地冰区船舶与浮碎冰相互作用的阻力计算提供参考。     

FSRU-LNGC旁靠作业运动响应研究

浮式储存及再气化装置（FSRU）-液化天然气船（LNGC）多浮体系泊系统在风、浪、流的联合作用下水动力响应复杂。首先提出一种多浮体系泊系统旁靠作业的布置方式,然后通过数值模拟得到对风浪流联合作用下该系统六自由度运动及相对运动、缆绳张力和护舷受力的响应时程,最后分析给出预张力对船舶运动响应、缆绳张力及护舷受力的影响规律。结果表明：该布置方式在选择的环境载荷下可以满足使用要求,所采用数值模拟方法对同类多浮体系泊系统运动分析有参考意义。     

船舶垂荡与纵摇耦合运动频率散射机制研究

针对船舶纵向速度振荡对垂荡与纵摇耦合运动建立运动响应模型,基于弗劳德-克雷洛夫假定,采用切片法推导切片的浮力、阻尼力和惯性力,通过对切片的积分得到了船体垂荡与纵摇的水动力(矩),推导并得到垂荡与纵摇耦合运动响应方程。以某隐身船为实例,初步分析遭遇频率散射强度和散射频率对耦合运动的影响,得到增大散射强度和散射频率可以减弱耦合运动及其剧烈程度的初步结论。     

波浪作用下单体网格式浮架受力的数值模拟

模型试验表明重力式网箱在波浪作用下，单纯浮架的受力贡献比例较大。本文运用波浪理论，通过建立浮架、锚绳及浮子的运动方程，采用五阶龙格-库塔进行数值求解，得到了单体网格式锚碇单纯浮架的数值计算模式。将计算模型简化为四点锚碇，并将计算结果与实验结果进行了比较，二者符合程度较好。在此基础上，比较了单体网格式锚碇与四点锚碇单纯浮架的受力，结果表明网格式锚碇方式浮架受力较小。     

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。     

Hydroelastic responses and interactions of floating fuel storage modules placed side-by-side with floating breakwaters

This paper is concerned with the hydroelastic responses and hydrodynamic interactions of two large floating fuel storage modules placed side-by-side with the presence of floating breakwaters. These modules and breakwaters form the floating fuel storage facility (FFSF). The floating storage modules and breakwaters are modeled as plates and the linear wave theory is used to model the water waves in the numerical model. The numerical model is verified with existing numerical results and validated with experimental test. Numerical simulations are performed to determine the hydroelastic behavior and hydrodynamic interactions of floating storage modules placed adjacent to each other and enclosed by floating breakwaters under various incident wave angles. The effects of breakwaters, drafts, channel spacing formed by the two adjacent modules and water depth on the hydroelastic responses of the modules are investigated. The wave induced responses of multiple floating storage modules enclosed by floating breakwaters are also examined.     

Mathematical modelling of response amplitude operator for roll motion of a floating body: Analysis in frequency domain with numerical validation

This paper investigates mathematical modelling of response amplitude operator （RAO） or transfer function using the frequency-based analysis for uncoupled roll motion of a floating body under the influence of small amplitude regular waves. The hydrodynamic coefficients are computed using strip theory formulation by integrating over the length of the floating body. Considering sinusoidal wave with frequency （ω ） varying between 0.3 rad/s and 1.2 rad/s acts on beam to the floating body for zero forward speed, analytical expressions of RAO in frequency domain is obtained. Using the normalization procedure and frequency based analysis, group based classifications are obtained and accordingly governing equations are formulated for each case. After applying the fourth order Runge-Kutta method numerical solutions are obtained and relative importance of the hydrodynamic coefficients is analyzed. To illustrate the roll amplitude effects numerical experiments have been carried out for a Panamax container ship under the action of sinusoidal wave with a fixed wave height. The effect of viscous damping on RAO is evaluated and the model is validated using convergence, consistency and stability analysis. This modelling approach could be useful to model floating body dynamics for higher degrees of freedom and to validate the result.     

重力式深水网箱的抗台设计与水动力性能分析

针对重力式深水网箱抗台风能力较弱,容易出现浮架损坏、锚绳断裂和网衣严重变形等问题,以一典型重力式深水网箱为研究对象,结合传统网格式系泊,提出在底部附加系泊缆的新型抗台设计方案,基于势流理论和非线性有限元方法,建立网箱数值模型,在不同入射角和波高下,对比分析传统网格式和新型抗台式系泊的网箱系泊缆张力、浮架运动和网箱变形....     

不规则波和流下的重力式网箱水弹性响应研究

文章对重力式网箱在不规则波和流作用下的水弹性响应分析进行了研究,通过有限元方法建立实尺度网箱模型并对网箱的运动和变形进行了分析。在数值模型中,通过非线性弹簧单元和Truss单元来模拟锚链和渔网结构,通过若干耦合的梁按照"浮力分配法"来计算浮圈的瞬时浮力。基于这个计算模型,文中充分研究了当网箱处于波流载荷下,浮圈的各阶弹性体模态所占权重。结果显示,当有义波高增大时,在垂直方向上会激发出更多的浮圈弹性体模态,而流则主要影响水平方向上的刚体模态。     

近岛礁地形影响下的浮式平台运动响应

近岛礁附近的地形一般呈现高低不平的状态,水深从几十米到几米不等。远场波浪向近岸传递过来时在礁盘上会经过复杂的演化,使得浮体附近的波浪呈现一定的非均匀性,不同于常规的长峰规则波,同时礁盘的起伏变化会对波浪中的浮体的运动产生影响,最终使得浮体在复杂地形下的水动力运动响应不同于一般均一水深下的浮体响应。该文通过建立浮体和礁盘地形的耦合水动力模型,计算了礁盘对浮体入射波力、绕射力、辐射水动力系数以及运动的影响,同时与水池模型试验对比了浮体运动,两者较为一致。研究表明复杂地形对浮体的水动力运动存在较大的影响,在某些周期附近会增大浮体的运动响应,因此需要理性考虑复杂地形对浮体的影响。     

顶浪中船舶水动力计算与运动模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)方法建立数值波浪水池,对顶浪中航行船舶的水动力与运动进行数值计算研究。推导出一种船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达方法并进行模拟验证,计算不同航速下顶浪中Wigley-III船模所受的水动作用力,以及顶浪中航行的Wigley-III船模的运动。通过将计算结果与DUT(Delft University of Technology)相关的试验数据进行比较,吻合良好。研究表明:基于数值波浪水池的数值模拟较试验更容易实现和控制,能够获得船体周围详细的流场信息,在波浪中舰船水动力性能与运动的研究等方面具有广泛的适用性。     

考虑浮体弹性变形的锚泊系统分析方法

传统的锚泊系统分析方法一般是假设结构物为刚性不可变形的,这种假设对于常规海洋结构物的锚泊系统分析,其精度是可以接受的,然而对于弹性体(比如超大型浮体)来说,这种浮体刚性的假设显然是不合理的.本文基于摄动理论,分别给出了锚泊浮体(同时包括弹性体和刚性体)和锚泊系统的一阶运动方程.分别用三维水弹性理论和Goodman-Iance法求解浮体的动力响应和锚泊线的运动,并给出了两者之间的协调关系.通过数值算例分析表明,对于超大型浮体,其弹性特性对锚泊系统特性的影响是不可忽略的.     

Motion response prediction by hybrid panel-stick models for a semi-submersible with bracings

A diffraction-radiation analysis is usually required when the hydrodynamic interactions between structural members occur in short waves. For bracings or small cylindrical members, which play important roles in the vicinity of the natural frequency of a floating platform, special care should be taken into account for the effect of viscous damping. Two hybrid panel-stick models are, therefore, developed, through the combination of the standard diffraction-radiation method and the Morison’s formulae, considering the effect of small members differently. The fluid velocity is obtained directly by the panel model. The viscous fluid force is calculated for individual members by the stick model. A semi-submersible type platform with a number of fine cylindrical structures, which is designed as a floating foundation for multiple wind turbines, is analyzed as a numerical example. The results show that viscous force has significant influence on the hydrodynamic behavior of the floating body and can successfully be considered by the proposed hybrid models.