新波浪理论在系留船舶二阶波浪力计算中的应用研究

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、谱性和方向性。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(Schiehallion)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。     

船舶与海洋工程中的二阶波浪力理论

本文主要介绍二阶波浪力的一般理论和有关研究进展,重点强调国内学者的研究工作,并结合讨论理论发展中存在的难点和发展动向,旨在为有关研究工作者和设计人员提供进一步研究和应用二阶波浪力理论的基础。     

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。     

张力腿平台二阶波浪力作用下运动响应分析

以延伸式张力腿平台为例,采用时域耦合分析法研究二阶波浪力对船体以及张力腿、立管的影响.在频域下计算船体结构一阶与二阶波浪力的传递函数,进而在Deepc中模拟海域的波流条件,考虑低频和高频波浪的影响,得到张力腿平台的动力响应和张力腿、立管的动张力值,并与线性的计算结果进行比较,认为在确定张力腿平台锚链的极限承载力和疲劳寿命时,应考虑高频二阶波浪力的影响.     

作用在高桩承台上的不规则波波浪力试验研究

针对不规则波中高桩承台所受波浪力进行了物理模型试验研究,系统分析了该结构的群桩水动力特性,重点考察了整体总力达到最大值时相应的桩柱波浪力规律。试验通过整体总力与各个组成桩单桩力的同步监测,得到群桩总力最大时刻各组成桩的受力。在试验数据分析的基础上,给出了前、中、后三桩的波浪力历时曲线及波高过程线,并就其相位进行对比分析;研究了各组成桩群桩总力系数、群桩正向力与横向力之比、群桩系数及单桩正向力与横向力之比随水深的变化规律,探讨了承台与群桩以及各组成桩桩力之间的分配比例并最终确定了最大受力桩。     

二阶波浪漂移力的回归分析

二阶波浪载荷的预报对动力定位能力评估具有重要意义。对二阶波浪载荷的预报,通常可采用模型试验和数值模拟的方法。模型试验费用昂贵,数值模拟时面元划分的合理性对计算结果的影响很大,且模型试验和数值模拟周期都相对较长。采用压力直接积分法进行系列船型的二阶波浪漂移力计算,在此基础上,采用模长界限控制的正交化方法的多元多项式回归分析,给出二阶波浪漂移力的回归公式,并进行了验证分析。验证分析表明回归公式置信区间为0.95。     

自升式平台湿拖过程中的二阶波浪力增阻分析

波浪引起的二阶平均波浪力附加阻力是自升式平台湿拖过程中总阻力的重要组成部分。基于三维势流理论分析了影响自升式平台湿拖过程中附加阻力的相关参数,包括Jonswap谱γ值、航速以及波浪要素等,进行了敏感性分析。研究结果表明:计算二阶波浪力增阻所选取的Jonswap谱γ值取3.5更为合理;二阶力增阻对波浪周期的变化较为敏感,实际拖航阻力估算只需考虑静水拖航阻力和实际海况的双重作用,可略去航速的影响;并验证了二阶波浪力增阻值与有义波高的平方成正比,提供了一种可靠的二阶力增阻估算方法。     

波高对桩柱最大水平波浪力新算法精确性影响

对Morison方程进行适当变形、推演,得到了一种可直接计算近海平台支撑物所受最大水平波浪力的计算方法。将此计算方法与经典计算法进行对比。对比发现,当阻力相对于惯性力起主要作用时,新算法与经典算法所得结论完全一致。当惯性力相对于阻力起主要作用时,新算法存在一定偏差,在该情况下,使用Matlab辅助计算,得到了波高对桩柱最大水平波浪力新算法精确性的影响曲线。     

二阶波浪力数值计算与试验方法研究

目前准确测量波浪中船舶与海洋结构物二阶波浪力是一个难点,本文提出采用半约束法和弹簧系统约束法两种试验方法测量二阶波浪力.首先介绍了半约束法和弹簧系统约束法两种试验方法,然后针对某散货船采用这两种方法开展了二阶平均波浪力试验测量研究,最后将试验结果与理论计算结果进行了对比,并对两种试验方法的优缺点进行了分析.研究结果表明:两种试验方法均能准确测量二阶平均波浪力.     

两浮体在波浪中二阶漂移力的三维方法研究

基于三维频域线性理论采用近场方法研究波浪中两浮体之间二阶漂移力（矩）的相互干扰,建立了两船相隔一定间距在波浪中运动的二阶漂移力（矩）的数学模型。经过数学换算,浮体的二阶漂移力（矩）可用人射速度势和扰动分布源简单表示。通过对固结的两船在横浪中的二阶横向漂移力及首摇漂移力矩的计算,得出结论与试验结果作比较,两者吻合度较好。     

极浅水单点系泊FPSO低频响应分析

对单点系泊FPSO在极浅水中波浪作用下的低频响应进行频域数值计算与模型试验研究,水深16.7m,入射波有义波高4.1m.计算结果与试验结果符合良好.试验中的波浪校验结果显示,在不规则波浪谱中出现明显的低频成分.由此产生了一阶低频波浪力,其能量谱是通常二阶波浪力谱的近百倍,导致FPSO在极浅水中所受低频波浪力大大增加,并引起极大幅度的共振纵荡运动响应.极浅水时,低频纵荡运动响应主要是一阶的,二阶成分几乎可以忽略,而且与深水相比,由于阻尼和二阶波浪力同时增加,二阶响应变化不大.低频浅水长波和一阶低频波浪力及其诱导大幅运动响应会给极浅水FPSO和系泊系统设计带来严重影响,在水动力性能预报时必须仔细予以考虑.     

内转塔式系泊FPSO甲板上浪的时域模拟

采用时域模拟方法,对一内转塔式系泊FPSO的甲板上浪问题进行了计算和分析,给出了甲板上指定点的垂荡运动时历及甲板上浪次数统计值,为内转塔式FPSO的设计提供参考依据.     

3-D computational method of wave loads on turret moored FPSO tankers

A three-dimensional method of calculating wave loads of turret moored FPSO (Floating Production Storage and Offloading) tankers is presented. The linearized restoring forces acting on the ship hull by the mooring system are calculated according to the catenary theory, which are expressed as the function of linear stiffness coefficients and the displacements of the upper ends of mooring chains. The hydrodynamic coefficients of the ship are calculated by the three-dimensional potential flow theory of the linear hydrodynamic problem for ships with a low forward speed. The equations of ship motions are established with the effect of the restoring forces from the mooring system included as linear stiffness coefficients. The equations of motions are solved in frequency domain, and the responses of wave-induced motions and loads on the ship can be obtained. A computer program based on this method has been developed, and some calculation examples are illustrated. Analysis results show that the method can give satisfying prediction of wave loads.     

码头前系泊船舶撞击速度研究

采用时域数值模型,对横浪作用下码头前系泊船舶的运动响应进行了研究,分析了波高、周期、水深、船舶尺度及码头型式等因素对撞击速度的影响.结果表明:当波浪周期小于般舶自振周期时,撞击速度随波高的增加线性增长;波浪周期越大,撞击速度越大;船舶装载度(吃水)越小,撞击速度越大;墩式码头(无限开敞水域)中系泊船舶的撞击速度大于岸壁...     

码头前系泊船舶的附加紧水体质量系数

船舶附加水体质量是影响系泊船舶撞击力的重要因素之一.为了制定更为合理的系泊船舶荷载设计标准.需要针对船舶的附加水体质量系数开展深入的参数研究.采用三维频域方法,分别对无限开敞水域和半无限开敞水域中不同船型进行了计算,分析了船舶尺度、水深、装载度和码头类型等因素对附加水体质量系数的影响.结果表明:船舶尺度(或装载度)越大...     

风流作用下码头系泊船舶缆绳张力及运动量研究

基于力的平衡关系建立了系泊船舶在风和潮流作用下缆绳张力和运动的计算模型(Qmoor),其中根据船舶类型和吨位确定其水下的迎流面积和水上的迎风面积,由经验性公式计算风、流对码头前船舶的作用力,缆绳张力采用考虑缆绳非线性变形的Wilson公式计算,同时也考虑了护舷的变位与靠泊力之间的非线性关系。计算结果与物理模型试验结果较一致,且与Optimoor软件的计算结果进行了对比。     

波浪对箱形船作用的三维耦合计算模型

为获得具有工程实用价值的港口三维船非线性波浪力的时域计算方法,该文建立了波浪对港口中船非线性作用的三维时域计算耦合模型:用欧拉方程计算船底面下的内域,用Boussinesq方程计算船侧面到港口边界的外域,两域在交界面处匹配条件是流量连续和压力相等.并进行了相关模型实验,实验结果和数值计算结果比较表明该耦合计算模型具有满意的精度.此外,该三维耦合模型数学处理简单,计算效率高,可适用于工程计算.     

群性波列作用下系泊船舶的水动力响应数值模拟

该文根据随机波群的模拟方法,模拟得到具有同一有效波高,有效周期但不同群性的随机波列,研究了不同群高参数GFH和群长参数GLF的波列作用下系泊船的运动响应及缆绳张力。数值计算结果表明,系泊船横移运动量和缆绳张力呈现随波浪群高的增大而增大的趋势,升沉运动量也略有增加,而波浪群长的变化对系泊船的运动响应及缆绳张力基本没有影响。     

风浪流成长全过程单点系泊FPS O运动低频响应极值研究

为了探求风浪流成长全过程对应的单点系泊FPSO低频响应极值,应用三维势流理论及非线性时域耦合分析方法,研究了单点系泊FPSO低频运动响应与风浪流入射角度之间的关系,得出了给定风浪流大小前提下最危险的入射角度,计算了风浪流载荷在发展、顶峰、消亡各不同阶段对应的船体低频运动响应极值。结果表明：单点系泊FPSO低频响应与风浪流入射角度密切相关,且响应最大值可能并不出现在有义波高、风速、流速最大的顶峰时期,而可能出现在有义波高、风速、流速较小但风浪流入射角度呈强非线性的发展或消亡阶段。因此,在研究单点系泊FPSO的低频响应极值时,必须考虑风浪流成长过程中的发展和消亡阶段。文中考虑了易被忽略的风浪流成长过程中入射角度呈强非线性的发展和衰亡阶段,为单点系泊FPSO低频响应特性的分析提供了有益参考。