波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究Ⅰ:规则波浪

为探究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,文章通过几何比尺为1?50的物理模型开展了规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射波高、相对板长、平台相对高度与平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明：规则波作用下波浪对平台的砰击压强及砰击压力具有随机性和周期性,高阶波浪砰击力明显;五个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,拟合出规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力的计算公式,可为规则波作用下的砰击力快速计算提供有益帮助。     

自升式钻井平台漂浮压载波浪砰击载荷分析

漂浮压载是自升式平台减小地基穿刺风险的有效手段之一。压载过程中平台受到波浪砰击、绕射或其联合作用，可能产生较大的运动及载荷，进而对升降系统和桩腿产生不利影响。本文通过物理模型试验方法，对某三桩腿自升式平台漂浮压载状态下的砰击压强开展研究。结果表明，在吃水为-1 m和0 m时，砰击作用明显，平台底部压强较大；当吃水为1m时，波压力主要为绕射波浪作用，压强显著减小。平台底部最大压强的分布受波浪周期的影响显著。     

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。     

拖航工况下半潜平台撑杆波浪砰击敏感性研究

半潜式平台在拖行过程撑杆等细长结构承受的波浪砰击对结构安全影响较大,相关船级社规范中明确要求结构分析过程中需要考虑波浪砰击载荷。基于传统势流理论的数值方法已经被广泛的应用于浮式海洋平台的水动力和砰击载荷的研究,但是对于复杂的粘性干涉效应、波浪爬升、波浪破碎和波浪砰击等实际工程问题不能够运用势流理论准确模拟。非定常的计算流体力学CFD (Computational Fluid Dynamics)方法能够较为准确解决上述问题。因此,本文以982半潜式海洋平台为研究对象,采用计算流体力学中的动态重叠网格方法和流域体积域方法VOF(volume of fluid),结合水池物理模型试验结果,对平台在拖行工况下撑杆的波浪砰击进行研究。主要对半潜平台撑杆在三种不同流速和风速的拖航工况下撑杆受到的砰击压力的敏感性进行了分析研究,分析波浪砰击下撑杆的瞬态砰击压强分布情况,得到波浪砰击压力危险区域,同时给出拖航工况下撑杆砰击压力系数的变化规律,为分析预报半潜式平台撑杆在复杂的拖航海况下受到的砰击压力提供了参考。     

卷破波冲击下透空式面板受力特性数值模拟

卷破波是近海环境中常见的破碎波浪，对近海结构物具有较大的破坏性。基于CFD软件FLOW-3D建立二维波浪水槽，对比5种形态的卷破波冲击下透空式面板的受力特性和波浪爬高情况，并讨论了面板相对净空高度、相对水深和迎浪面倾角的影响。研究表明：5个形态的卷破波中，P2形态卷破波的水平波浪力最大，P3形态卷破波的爬高最显著，P1至P3形态卷破波的竖向波浪力趋于相等；面板相对净空高度、相对水深和迎浪面倾角对卷破波冲击作用力和爬高有较大影响，相对净空高度的增大能有效削减卷破波冲击力和爬高，而相对水深的增加将导致透空式面板受到的卷破波水平、竖向波浪力和波浪爬高增大；随着迎浪面倾角从0°增大到60°,波浪爬高逐渐减小，卷破波作用力先增大后减小，P1形态卷破波的水平、竖向波浪力的变化幅度最大，P4形态卷破波的竖向波浪力减小幅度最大，P3形态卷破波的爬高减小最显著。     

规则波作用下近岸透空式结构物的波浪上托力研究

基于对透空码头结构物波浪上托力研究现状的分析,运用垂向二维CFD数值波浪水槽建立模拟规则波作用下水平板波浪上托力的数值模型.通过物理模型和数值模型所获波浪压力结果的对比分析,总结平板底部流场和测点压强的分布特点,探讨不同周期波浪的最大冲击压强随波浪相对超高变化的规律.试验结果表明,规则波作用下波浪上托力的数值模拟结果与...     

基于CFD的风电安装船首部砰击载荷分析

以国内某艘风电安装船为研究对象,基于计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）在规则波（斯托克斯五阶波）作用下,研究其首部砰击载荷随波浪参数的变化,依据波浪高度与波浪长度不同,设计了3组不同波高和5组不同波长,对15种计算工况进行分析。在船首位置取16个观测点,计算各点处的砰击载荷,对不同波浪参数下的砰击载荷进行研究。计算分析得到：风电安装船作业中,随波高增大,船舶首部砰击载荷也增大,随波长增长,砰击载荷呈先上升后下降的趋势,并且当波长等于船长时,砰击载荷峰值达到最大。船首砰击主要是由船舶在波浪中出水、入水所致,因为距水线面越近的观测点受到的砰击载荷越大,所以需要重点加强距水线面近的船首位置。文中所述方法可为后续风电安装船结构强度设计提供一些有益参考。     

不规则波作用下涵洞式直立堤涵洞顶部上托力压强值研究

采用不规则波作用下涵洞式直立堤波浪断面物理模型试验,重点研究波陡(H/L)、相对水深(d/H)、相对板宽(B/L)、涵洞的相对入水深度(t/d)对涵洞顶部上托力压强值的影响及其变化规律.通过试验数据分析,对过达公式进行修正,得出涵洞顶部波浪上托力最大相对压强计算经验公式.     

透空式上部结构开孔沉箱前沿波压力试验分析

通过不规则波物理模型试验,在前人对开孔沉箱波浪力研究的基础上进一步研究了透空式上部结构开孔沉箱前沿的波浪力。分析了结构前沿的波压力分布规律并与现有的波压力计算公式进行对比,发现透空式上部结构面板和底部沉箱结构前沿波压力的计算可通过合田良实公式进行修正,而上部结构纵梁所受的相对点压强值往往较大,因此单独对纵梁上的相对波压强进行分析,给出了计算相对波压强值的经验公式。     

半潜式平台波浪砰击测试方法与载荷特性研究

本文采用模型试验的方法对半潜式钻井平台受到的水平波浪砰击载荷进行了研究.为了克服模型结构动力响应的影响,试验时设计了专用的测量单元用于监测波浪砰击载荷,并采用小波分析的方法对砰击载荷试验数据进行降噪处理.试验结果表明:半潜式平台水平波浪砰击载荷的发生频率和砰击冲量随有义波高的增加而增加,但砰击载荷幅值则体现了显著的非线性和随机性特征,砰击载荷冲量的随机性和发散性则相对较小;平台立柱与箱型甲板连接处的砰击载荷较大,大多数海况下后立柱砰击频率和砰击载荷幅值比前立柱更高.     

波浪与反弧面直墙防波堤相互作用的砰击载荷数值预报研究

采用基于开源平台Open FOAM开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对实尺度下波浪与反弧面直墙防波堤相互作用开展了数值研究。采用主动造波-消波方法生成不规则波,采用基于分段线性界面模型的几何流体体积法捕捉自由面。数值模拟时在距造波点不同位置处设置了波高测点,在防波堤表面布置了多个压力测点,并将各测点得到的波高及砰击压力时历数据与试验进行对比。研究表明,受入射波、反射波和空气涡流场的影响,靠近防波堤位置处的波面线将会形成两个明显的峰区。在砰击发生后,防波堤表面的砰击压力将随流体运动向顶部与底部转移,在圆弧段顶部产生高频压力振荡。同时发现防波堤顶端的反弧墙将上涌流体转化为水平射流,极大地改变了气相涡量场结构,能缓解溢流问题。     

畸形波作用下双平台联合作业的波浪砰击特性研究

畸形波具有波高巨大、传播速度极快、偶发性强和能量集中等特点,对海洋平台的破坏尤为突出。论文以生产平台和支持平台为研究对象,通过数值模拟与模型试验相结合的方法,对双平台联合作业在畸形波作用下受到的波浪砰击进行研究。运用经过模型试验修正的数值模拟,采用组合波聚焦模型建立畸形波。以典型畸形波“新年波”为例,在时域上开展畸形波工况下双平台多浪向波浪砰击特性研究。研究成果对双平台联合作业的设计与工程应用具有一定的指导和参考价值。     

超大型 VLCC 波激振动和砰击振动模型试验研究

船舶的波激振动和砰击振动对船舶结构的安全性有较大影响。文章以一艘超大型 VLCC 为研究对象,通过变截面梁分段模型试验方法对船舶在规则波和不规则波中波激振动和砰击振动响应进行了比较分析,介绍了船模波浪载荷试验中模型的设计原则,通过静水试验得到了船体梁垂向振动频率特性、振动阻尼和静水兴波弯矩等参数,通过规则波和不规则波试验分析了波高、波浪周期和装载状态等因素对波激振动和砰击振动的影响。该文的研究结果对大型船舶的结构设计具有一定的指导意义。     

集装箱船外飘砰击载荷的CFD数值分析

基于黏流CFD方法研究迎浪工况下波长和波高对KCS船运动和外飘砰击的影响,分析砰击压力的时空分布及其与船舶垂向运动的关系。基于开源造波工具waves2Foam建立三维数值水池,采用naoe-FOAM-SJTU求解器中的重叠网格技术求解船舶在波浪中的运动。计算结果表明,船舶运动幅值随波长和波高的增大而增大,波长船长比为1时外飘砰击压力最大,外飘砰击压力随波高增大呈线性增大规律。集装箱船应尽量避免在波长接近船长的海况下航行。这项研究可为波浪中的船舶砰击载荷预报提供参考。     

深海平台砰击载荷的数值分析

文章以深海平台为例,研究在迎浪海况的作用下,波浪对平台的砰击效应.将平台简化为大尺度,深吃水,几何形状规则的刚体,采用计算流体力学中的有限体积方法,将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,使每个网格节点周围有一个控制体积,求解离散方程,利用流体体积理论捕捉自由表面的波形.依据三阶斯托克斯波波浪理论,利用fluent软件建立相应的数值水槽,并进行造波及消波设置,得到稳定的波浪场.采用固定平台六自由度的方法,初步地对平台所受的波浪砰击载荷进行分析计算.     

船艏底部砰击压力概率预报方法研究

在Ochi概率统计方法的基础上探索一种适合于非常规船型船艏底部砰击压力的概率预报方法。该方法在时域中计算船舶在波浪中的运动响应,基于Msc.Dytran计算砰击压力系数,在此基础上采用蒙特卡罗法对砰击压力的概率特性进行预报。分析了砰击时的船波相对速度和波面倾角对压力系数的影响。研究结果表明,船舶在静水和波浪中的砰击压力特性有很大差异,在波峰与波谷处发生砰击时产生的砰击压力大于在波面其它位置产生的压力值,相对速度对砰击压力系数的影响在波面不同位置呈现出不同的特点。     

规则波和不规则波中船舶艉砰击及其振动响应的试验研究

在拖曳水池中对某船舶进行了艉砰击及其振动响应的试验研究.在规则波以及不规则波中的零航速、艉随浪情况下观察到了严重的艉砰击现象.试验数据分析表明,合成弯矩可以分成由波浪载荷引起的低频成分以及由砰击载荷引起的高频成分.由于严重艉砰击载荷的作用,发现在某次规则波试验中合成弯矩比波浪弯矩要大出44%,在3.24m不规则波中合成弯矩增加了43%.不规则波中的试验数据统计表明合成弯矩分布范围服从Weibull分布.推导了服从Weibull分布随机变量的短期概率极值预报公式,针对试验数据进行了预报.还讨论了试验数据分析中的不确定性问题.试验研究表明,对于艉部平坦肥大的船舶,在设计和使用中需要引起对艉砰击及其振动响应问题的重视.     

新型板桩承台式直立堤波压强试验研究

通过物理模型试验,对不规则波作用下新型板桩承台式直立堤结构波压强进行研究。试验结果表明,影响波压强值大小的因素主要包括波高、波长、水深以及堤顶超高,受挑檐影响,波浪相对压强在竖向分布规律主要分为四个部分。允许越浪情况下,波浪相对压强值随波高的增大而增大,随波长的增大先增大后减小,同时挑檐的存在显著的增加了静水位以上挡浪墙上的波压强值,承台底部上托压强受水深影响最为明显。当入射波浪形态发生破碎后,结构上波压强值将显著增大,于建筑物最为不利。在规律分析研究的基础上,结合现有直立堤波压强理论公式,提出了带挑檐板桩承台式直立堤波压强计算公式,公式结果与试验值吻合度较高,可供类似工程参考借鉴。     

底部砰击预报

依砰击瞬时相对速度的概率分布,导出不受频带宽窄限制的砰击压力特征值的表达式,并与越智和夫的预报值及测量值进行了比较。鉴于用附加质量的动量变化率求砰击力,难以反映底部砰击的真实情况,本文把试验结果与纵向运动的时域分析结合起来,提出一种计算不规则波中砰击弯矩的方法。     

双体船砰击载荷数值仿真分析

采用Sesam软件计算出船舶相对运动及砰击瞬时船舶与波浪之间的相对速度,采用FLUENT和MSC. DYTRAN软件计算出船体各点的砰击压力系数,最终计算出不同海况条件下各点的砰击压力,对双体船砰击载荷沿船长及高度方向的分布进行了分析,并讨论结构弹性效应对砰击载荷的影响。