二维浮式结构物与完全非线性波相互作用数值分析

基于粘流理论、流固耦合理论和自由液面追踪技术——VOF(Volume of Fluid)法,以不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程为基本控制方程,利用商用软件ANSYS Workbench的二次开发功能,建立了粘性数值波浪水池,数值模拟了完全非线性波的生成,计算分析了二维浮式结构物遭遇波浪的完全非线性现象,得到了甲板上浪水位高度和结构物的纵摇、垂荡、横摇等运动响应。结果表明:文中的方法可以用于波浪与浮式结构物相互作用的完全非线性数值模拟.     

船舶首部相对运动及甲板上浪的预报

本文以一艘高速船为研究对象,进行各种航行状态下的相对运动系列试验,并测定其在不规则波中船首甲板上浪频率。通过试验数据的分析和拟合,给出了计算船首相对运动升高系数的关系式。文章还对船首相对运动和甲板上浪进行理论计算,计算中引入了船体水线以上形状对甲板上浪的影响,预报结果与试验值吻合良好。     

低干舷隐身船波浪中纵向运动的模型试验及理论研究

低干舷隐身船由于采用低于舷和内倾设计,容易引起甲板上浪和非线性水动力,因而其耐波性能与传统直壁船型差别较大.文中通过模型试验和理论计算的方法,对低干舷隐身船在顶浪时规则波和不规则波中的纵向运动响应开展了研究.理论方法包括S.T.F.线性切片法和非线性时域方法,并且在时域计算中考虑了船体湿表面变化和甲板上浪对纵向运动的影响.研究表明,隐身船在波浪中的纵向运动存在明显的非线性现象,船舷内倾是导致船体纵向运动非线性的主要因素,采用非线性时域方法可以较好地预报低干舷隐身船型在波浪中的纵向运动.     

甲板上浪2D数值模拟与试验研究

基于VOF法,采用动边界造波,对规则波中的浮体甲板上浪进行了2D数值模拟.得到了在不同倾角下甲板上浪的波形时历.基于PIV和浪高仪测试技术,在波浪水槽中对浮体在规则波中的甲板上浪进行了试验,得到了上浪水在甲板上的水位高度及波浪沿船首爬行、变形、破碎的过程.计算结果与试验结果进行了对比,验证了数值计算的可行性.     

高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究

基于数值波浪水池技术,对波浪中高速三体船运动及增阻进行CFD计算研究。控制方程—RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波。首先对规则波顶浪中单个主船体的运动和增阻进行了计算,并与高速细长体理论计算结果进行了比较;随后进行了三体船运动和增阻计算,分析了侧片体对主船体阻力增加的影响。为高速三体船耐波性研究提供了数值工具。     

并行计算求解运动船体上的甲板上浪问题

甲板上浪是危害海洋浮式结构物的重要因素.文章采用模型试验方法对一艘FPSO的甲板上浪现象进行了考察.结合模型试验的结果,采用大规模并行计算技术成功再现了甲板上浪这一非线性极强的物理现象,有效地克服了计算时间的限制.数值模拟中对与上浪密切相关的物理参数如水体流动,船体的运动,冲击载荷进行了记录.为了保证数值模拟的精确性,文中开展了网格试验和时间步长试验,得到了适合甲板上浪模拟的网格划分方案和时间步长.由数值模拟得到的上浪细节相当详尽,如由VOF方法进行液面捕捉得到的波浪沿船艏爬升、变形、最后冲击船艏结构物破碎的过程与试验相比很为接近.计算实践表明采用大规模并行计算是解决上浪等非线性问题的町靠的、高效的途径.     

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。     

基于船波相对运动的砰击压力和上浪载荷预报方法

本文基于船波相对运动理论,对舷侧砰击压力和甲板上浪载荷的数值及试验预报方法分别进行了研究.利用三维势流理论计算船舶与波浪之间的相对运动,可以得到船波相对速度及甲板上浪高度.对于砰击压力通过数值模拟方法得到砰击压力系数后结合船波相对速度来预报;对于上浪载荷则采用考虑船舶航速的溃坝模型结合甲板上浪高度来预报.此外,开展了船舶运动和砰击压力模型试验,船波相对运动由沿着模型横剖面布置在舷侧的浪高仪测量,并且测得了相应位置处的砰击压力.最后分别对船波相对运动和砰击压力的数值结果与试验数据进行了比较分析,同时基于船波相对运动给出了一种砰击持续时间计算方法.     

畸形波作用下船舶甲板上浪的数值模拟研究

畸形波对航行中的船舶极具威胁,其巨大的波高更容易产生甲板上浪现象,因此有必要对畸形波海况下的船舶甲板上浪问题进行研究。论文基于线性聚焦理论,利用波浪的色散特性产生畸形波,在二维数值水池中模拟了船舶与畸形波的非线性相互作用,并成功复原Greco的水池模型试验,验证了数值模拟方法的可行性。通过对甲板上浪高度的监测,研究了在相同有效波高下,规则波和畸形波甲板上浪行为的不同。本研究对完善极端海况下船舶结构和行驶安全的设计规范具有重要意义。     

波浪与涵洞式直立堤相互作用的数值模拟

为了研究波浪对结构物的作用,采用模拟波浪和结构物相互作用的方法理论建立数学模型。基于N-S方程,采用VOF方法追踪自由表面,通过UDF方法将入射波作为人工的分布源项加入动量方程,建立兼有造波和消波功能的二维数值波浪水槽。在此基础上,对规则波在涵洞式直立堤上的越浪、透浪过程进行了数值模拟,并与物理模型试验结果进行比较。结果表明:数值模拟能够较好地模拟透浪以及越浪过程,同时可以较准确地得到透浪系数。     

浮体升沉和纵摇运动对甲板上浪载荷影响数值研究（英文）

In this paper, the influence of heave and pitch motions on green water impact on the deck is numerically investigated. The vessel motions are determined using a potential theory based method and provided as input to finite volume based CFD computations of green water phenomenon. A dynamic mesh approach is adopted to determine instantaneous body positioning in the fluid domain.Detailed validation studies with published experimental results for 2D and 3D fixed vessel cases are initially performed to validate the present numerical approach before studying the moving vessel problem. The results show that inclusion of heave and pitch motion changes the disturbed wave field near the bow which influences the free surface as well as the impact loading due to green water. The effect of wave steepness on green water impact is also investigated and it is seen that the present numerical method is capable of capturing green water load. It is observed that the effects of vessel motions on green water load are not negligible and one should consider this effect too. The incorporation of vessel motions in the vertical plane affects the green water loading on the deck.     

非交错网格下Boussinesq方程的源函数产生波浪的方法

针对由Beji型的Boussinesq方程推导出的在计算域内产生波浪的源函数,应用有限差分法的Adams-Bashforth-Moulton预报校正格式,在非交错网格下进行数值模拟。在一维方向上进行离散,对一维平底地形和潜堤地形进行了数值模拟,数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好,表明采用源函数的方法可以很好地在数值计算域内产生波浪。     

二维甲板上浪模型试验研究

甲板上浪属于非常复杂和强非线性的波体相互作用过程。研究甲板上浪的基本方法包括理论分析、模型试验和数值计算。本文利用浪高仪测试方法对特定实验工况捕捉甲板上浪特征参数信息,分析甲板上浪的水位高度、上浪量与浮态之间的关系。利用PIV方法捕捉了波浪沿模型首端爬行、变形、破碎的过程_[1]。获得了上浪的统计规律,有助于自由液面的非线性流体力学模型试验技术的发展,推动相应学科的进步和发展。     

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。     

空气可压缩性对船舶破舱进水的影响

在船舶破舱进水过程中,船舱内外流体动力行为非常复杂。本文采用CFD方法研究了考虑空气可压缩性影响情况下的船舶破舱进水动力学问题。研究中建立了基于求解RANS方程的船舶破舱进水计算模型,对姿态固定的破损箱型驳船进水过程进行时域模拟。将数值模拟结果与模型试验结果进行比较,验证了本研究所采用的计算模型的有效性。对数值模拟结果进行分析,如舱内水位变化情况、水体流经破口及在舱内蔓延现象及空气可压缩性对船舶破舱进水过程的影响。     

透浪建筑物掩护水域波浪数值模拟研究

为了研究透浪水工结构掩护水域的波浪条件,采用MIKE21系列软件的BW模块及SWAN模型对假定工况下的波 浪传播进行了模拟。通过2组数值模拟结果与整体波浪物理模型试验结果的对比,比较了2种数值方法模拟掩护水域波浪条 件的可行性及适用性,然后采用SWAN模型模拟了12级风条件下潜堤掩护水域的风浪场,取得了较好的效果。     

Development of Green-Naghdi models with a wave-absorbing beach for nonlinear, irregular wave propagation

Two-dimensional and three-dimensional Green-Naghdi (GN) models equipped with a numerical wave-absorbing beach have been developed to simulate nonlinear, regular, and irregular wave propagation. The numerical beach is introduced near the downstream boundary to absorb outgoing waves. An appropriate amount of numerical damping and an appropriate length of numerical beach are investigated using numerical experiments. The results show that the GN models with a numerical beach work very well in simulating wave propagation in water in a small computational domain.     

船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法

提出了一个利用MSC／DYTRAN数值模拟水面船舶在远距离水下爆炸载荷作用下动力响应的方法。用FORTRAN语言编译用户子程序，在近场水域边界处加上冲击波载荷以模拟远场爆炸效应，进而利用DYTRAN中强大的流固耦合计算功能，计算船体在水下冲击波作用下的动态响应。同时研究了边界定义和单元划分对冲击波传播的影响。该方法弥补了DYTRAN计算远场水下爆炸的某些不足，计算所得到的船体附近的自由场压力与经验公式的结果基本一致，船体的冲击响应与相关实验结果比较表明本文计算结果可信。     

Green water loading on a floating structure with degree of freedom effects

The aim of the present work is to investigate whether the degree of freedom (DOF) of a floating body has a notable effect on the maximum impact pressure due to green water on deck. The analysis is carried out for a box-shaped floating structure with a deckhouse, using experimental and numerical means to model the green water load. Green water on deck and impact on the deckhouse is generated by the impingement of a focusing wave group on a floating structure. Computations are performed using a two-dimensional constrained interpolation profile-based model solving the Navier–Stokes (N–S) equations with free surface boundary condition to deal with nonlinear water–structure interactions. The free surface is captured by a volume of fluid (VOF)-type tangent of hyperbola for interface capturing/slope weighting (THINC/SW), which is more accurate than the original THINC scheme. The verifications of the simulation through a series of model-to-model comparisons are performed in a two-dimensional glass-wall wave tank. Experimental water surface elevations, body motions and impact pressure are compared satisfactorily with the computed results for different DOFs cases. As a result, the peak impact pressure due to green water decreases rapidly with the increasing DOF.