新波浪理论在系留船舶二阶波浪力计算机中的应用研究

通常在计算波浪与结构物相互作用时都采用规则波假定,例如Airy波和Stokes波,波高一般采用实测有效波高,这种方法认为所有的波浪能量都集中在一个波浪频率上,从而忽视了海洋波浪实际的宽谱特征使得计算出的结构物动态响应不具有代表性.该文阐述了新波浪理论(NewWave Theory)的基本概念,介绍了一种新型的极限入射波浪模型,该模型考虑了天然海浪的随机性、潜性和方向性.新建立的波浪模型不仅可以作为恶劣海域海工结构计算时最不利波浪力设计标准,而且可使系留船舶的全向二阶波浪力计算得到极大的简化,节省大量的时间成本.文中还阐述了新波浪理论模型引入到波浪与结构物相互作用水动力计算的方法和步骤.最后对一种萨哈林(Schiehllion)型FPSO在不同方向入射波作用下的平均漂流力进行了计算和讨论.     

基于二阶Stokes波理论的随机波浪力谱表示法研究

目前,采用随机性分析方法计算不规则波对海洋结构物作用时一般均采用Airy波理论,并未考虑波浪非线性的影响。本文基于二阶Stokes非线性波浪理论探讨了采用非线性波浪理论时随机波浪力谱的计算方法,并用一典型算例,对本文公式的计算结果与线性波理论的计算结果进行比较。计算结果表明,在水深较深时不能忽略波浪非线性的影响。     

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。     

基于高阶谱方法的非线性聚焦波下船体运动的模拟

为了研究入射波浪的非线性对船舶运动的影响,提出了一种新的描述船体运动的非线性时域混杂方法。将高阶谱(HOS)方法引入船舶时域运动计算模型中,用来模拟非线性入射波浪场,在瞬时湿表面上实时积分,求得船舶遭遇波浪时的非线性入射波浪力和非线性回复力,在弱散射假定下建立非线性波浪中船舶的运动方程。当HOS中摄动阶数为1时,船体运动模拟结果与规则波下试验的RAO结果对比良好,验证了改进后的时域模型的可行性和有效性。当HOS中摄动阶数为3时,非线性波浪场演化结果与聚焦波的试验数据对比,验证了入射波模型的正确性。分析了非线性入射波浪间的相互作用,并以Wigley Ⅲ为对象,计算分析不同波幅的聚焦波下船体时域运动响应,进一步考察波浪的高阶非线性对船舶受力和运动的影响。研究表明,非线性波浪的相互作用对波浪的频率分布、聚焦结果以及入射波浪场的压强分布有显著的影响,对船体的入射波浪力以及垂荡运动的影响最为显著,非线性的影响随着聚焦波幅的增大而变大。     

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.     

基于统计过程控制理论的张力腿平台有效上浪波高分析

文章以统计过程控制理论(Statistical Process Control,SPC)为基础提出了一种张力腿平台甲板有效上浪高度计算模型,针对海浪波高是随机过程这一不确定因素导致的上浪波高没有确定解的情况,分析计算了波浪谱下的张力腿平台相对运动和有效上浪波高,计算得到了有效上浪波高控制中心均值、下管制限值、上管制限值和相应发生概率。由相同波浪参数下不同波浪谱计算得到的有效上浪波高控制中心均值相同这一结论,发现波浪能量在不同谱之间的分布是相同的,说明波浪能量在时间维度、空间维度和频率维度的分布是一致的。在求解有效上浪波高控制中心均值时,提出了能更好刻画波高在波浪参数下的分布形式的面积均值法,并由此方法计算控制中心均值和上管制限值。以一型张力腿平台为例,针对波浪谱中超过某一发生概率的情况,运用统计过程控制理论和SPC控制图,计算了有效上浪波高控制中心均值、下管制限值和上管制限值,判断随机有效上浪波高是否处于统计控制状态,发现了波浪谱中的发生概率越大,随机有效上浪波高越可控这一规律。比较不同波浪入射角的有效上浪波高控制中心均值,发现了不同波浪入射角对有效上浪波高影响不大、发生概率对有效上浪波高影响较大的规律。最后基于统计过程控制理论计算得到整个有效上浪波高均值、发生概率、下管制限值和上管制限值。提出了在有效上浪波高均值和上管制限值之间结构物会受到交变载荷的作用容易疲劳损伤和腐蚀损伤的建议。结果表明该方法可以对张力腿平台有效上浪波高进行计算,并可推广应用于其它海上结构物的有效上浪波高计算。     

带横隔板开孔沉箱所受波浪力的研究

研究了斜向波与无限多开孔沉箱的相互作用。依照结构物的几何形状,整个流域被分成无限多个子域,在每个子域内应用特征函数展开法求解速度势。对于沉箱内的波浪运动,引入相位差概念;同时,在构造反射波模型时,考虑了结构物的几何形状影响。进行了数值试验,分析了开孔沉箱水平波浪力及横隔板受力特点,详细讨论了波浪入射频率、入射角度、相对消浪室宽度及开孔影响系数对开孔沉箱波浪力的影响。     

潜式双层水平板型防波堤的数值研究

基于VOF方法建立了波浪与潜式双层水平板型防波堤相互作用的数值模型。数值研究了潜式双层水平板型防波堤的透射系数和波浪力。综合考虑了相对板宽B/L、相对波高H/D、波陡H/L、相对板间距S/D和相对潜深d/D等影响因素,给出了透射系数和波浪力荷载随这些影响因素的变化规律。为了方便工程实际应用,拟合出了透射系数和总竖向波浪力的计算公式。公式计算结果与试验结果进行了对比,二者吻合良好。     

跨海桥梁基础波浪(流)力计算问题探讨

在收集国内外海洋桩柱结构物波浪(流)力研究资料的基础上,对桩柱波浪力计算的现状进行了归纳总结。结合已建多座跨海大桥工程实践,通过桥梁基础波浪(流)力模型试验结果与采用现行规范方法所得计算结果进行对比分析,分别对跨海桥梁基础波浪力特点、小尺度桩基波浪力计算、大尺度沉井(承台、桥墩)波浪力计算、横向波浪(流)力计算及波流共同作用下的波浪(流)力计算等问题进行探讨,提出目前桥梁基础波浪(流)力计算存在的问题及解决措施与方法,并针对存在的问题,提出了跨海桥梁基础波浪(流)力进一步深入研究的思路、研究技术路线及研究内容。     

畸形波作用下浮体的载荷与响应研究新方法

基于线性波叠加原理,采用能量聚焦的方法在二维粘性数值波浪水池中生成畸形波。基于流固耦合理论与切片原理,提出一种快速便捷的模拟波物相互作用的新方法,模拟了浮式体遭遇畸形波的过程,计算得到了甲板上浪水位高度、上浪水体对浮体的砰击压强、结构物的运动响应及波物相互作用的响应云图等。其中,波浪谱采用JONSWAP谱,流场控制方程为不可压缩流体的连续方程和N-S方程,自由液面由VOF法来捕捉,在数值水池尾段的动量方程中添加源项以消除后端壁面的波浪反射。     

风成波浪与堤岸相互作用的综述

洪水期湖区风成波浪对堤岸有巨大的破坏作用，湖区风成波浪与堤岸的相互作用机理的研究对于修建一个能抵御洪水和风浪共同作用的堤岸具有现实意义。本文主要对国内外学者关于风浪产生机理、风浪与堤岸相互作用引起的增减水、波浪爬高及越浪等进行了归纳和总结。     

大连海域波浪特征研究

根据大连及其附近海域11个站的波浪实测资料,研究分析了大连海域不同岸线段的波浪基本特征,包括常浪向、强浪向及其频率等,绘制了波浪玫瑰图;根据有关文献,对大连海域不同岸线外海深水波浪要素特征进行了分析研究,给出了50a一遇强浪向的波高和周期.结果表明:大连海域在渤海侧强浪向主要为偏北向,黄海侧海域的强浪向主要是偏南向.     

规则波作用下挡浪板式防浪墙波浪力研究

通过物理模型,对挡浪板式防浪墙的波浪力进行研究。研究表明:规则波作用下挡浪板式防浪墙的水平波浪力和浮托力随时间变化呈双峰现象,水平总波浪力与浮托力随波高、水深的增大而增大,随波坦的增大先减小后增大;挡浪板式防浪墙挡浪板倾角的不同不影响波压力的分布规律,相同工况下,波浪力随倾角的减小而增加。据此,得出不同倾角下水平波压力换算系数公式,并对工程设计提出相应建议。     

大连港太平湾港区波浪物理模型研究

通过波浪整体物理模型试验,对大连港太平湾港区起步工程港内波况和码头上水情况进行测定,并根据试验结果对平面布置进行优化。设计方案在W向波浪作用下,迎浪侧波浪直接穿过进港航道边坡进入港内,波浪在直立码头间发生来回反射,港内波高较大。设计方案在WSW向波浪作用下,迎浪侧航道边坡对波浪的折射现象较W向明显,港内波浪的多次反射现象与W向时基本一致。优化方案一将迎浪侧进港航道边坡开挖,波浪折射到港外,港内波高减小。优化方案二北侧防波堤延长至874 m,对港内的掩护优于优化方案一。优化方案三在优化方案一的基础上,将东侧码头外端1 km码头型式改为高桩码头,在高水位时桩式结构的反射效果未得到充分发挥,低水位时反射效果略明显。     

舰艇在海浪作用下的扰动仿真分析

实际海洋环境中舰艇受到多种因素的作用,对舰艇的操纵控制、船舶运动等方面产生了影响.本文基于非规则长峰波的数值仿真,提出舰艇在波浪影响下干扰力的计算方法.从频谱分析角度出发分析舰艇干扰力的主要影响因素,为仿真舰艇在海洋环境下运动提供思路.     

斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载

基于三维波浪物理模型实验研究的结果,参照国内外已有的研究成果,探讨了波浪斜向性和多向性对不规则波作用于直墙堤上波浪荷载的影响,表明波浪是否在堤前破碎其影响波浪荷载的规律是不同的.建议了斜向和多向不规则波作用于直墙堤上波浪荷栽的实用计算方法.     

关于海岸水工建筑物顶部单波越浪量的研究

在防波堤与堤后结构物的安全性评价和堤顶行人与车辆等的危险因素分析中,单波越浪量比常用的平均越浪量能更真实地反映出堤顶越浪的影响,是更为合适的越浪量评估指标。重点介绍直立堤和斜坡堤上单波越浪量的计算方法,并通过具体算例对相似的计算方法进行对比分析,针对不同计算方法的选用原则提出相关建议,可供防波堤工程设计参考。     

惠来电厂护岸和灰堤波浪特性试验研究

通过物理模型试验,对惠来电厂护岸和灰堤原设计方案和修改方案中的防浪墙、护面块体以及垫层和护脚块石的稳定性、不同潮位时的越浪量以及防浪墙的波压力等进行了观测和测定,结果表明修改方案均解决了原设计方案中的不足,试验研究成果可供类似工程参考。     

复杂地形条件下波浪爬坡数值模拟研究

波浪爬高是确定海堤、护岸等海岸工程顶高程的主要因素,不仅直接影响工程造价,更关系到工程的安全。目前,针对单一型缓坡以及坡度较陡的防波堤的研究较多,但兼顾各种复杂地形条件下的波浪爬坡还没有一种公认较好的计算模型。文中首次采用MIKE21一维BW模型,分别通过规则波和不规则波对波浪破碎以及波浪爬坡进行了数物模验证。结果表明,应用MIKE21一维BW模型不仅能模拟在缓坡上的波浪破碎及爬坡过程,也能模拟诸如防波堤等陡坡的波浪爬高现象。将该模型应用于海南昌江核电护岸工程,为其安全性设计提供了科学依据,同时也为复杂地形条件下的波浪爬坡问题提供了一种切实可行、易于推广的研究方法。     

浅水风浪要素推算公式比较

对于缺乏长期波浪观测资料的新建港址,利用风况观测资料推算风成浪,是确定设计波浪的简便方法。选取宁波-舟山海域两处工程实例,分别运用国内主要浅水风浪推算公式——规范法与莆田法,对海湾水域与岛屿环抱水域两种典型海域进行不同重现期设计浅水风浪要素的推算。通过对风区长度、风区平均水深以及设计风速等主要变量的工况组合,归纳两种方法的计算结果差异性与适用性,结论可供工程设计参考。