气浮海洋平台的水动力系数分析

文中以某气浮结构平台为研究对象,基于三维势流理论通过MOSES对气浮体和实浮体在相同波浪下的响应、不同吃水下、不同水深下的下气浮结构的水动力系数进行了研究分析.分析结果表明：气浮体和实浮体在相同波浪条件下的响应是不同的,气浮体垂荡响应大于实浮体,而气浮体的摇摆响应和横荡响应要小于实浮体,气浮体内部气体具有减摇的作用;在相同的扰动波浪周期下,随着水深的增加,气浮体的水动力系数呈下降趋势;在相同的扰动波浪周期下,随着吃水的增加,垂荡的水动力系数呈下降的趋势,而横荡的水动力系数呈上升的趋势,对于纵摇的水动力系数影响不大.     

三体船横摇模型试验及其特性分析

三体船在波浪中的横摇特性和优点是三体新船型研发的技术支撑,采用模型试验和理论分析相结合的方法,对三体船横摇运动特性进行探讨。开展三体船静水横摇、正横浪零速波浪横摇模型试验,得出三体船线性、非线性阻尼假设下的横摇阻尼、频率响应和周期。通过横摇响应曲线的分析和对比,得出三体船不同侧体位置下波浪中横摇附加惯量、阻尼和运动响应、周期特性,以及侧体位置对以上各横摇特性影响的规律。研究表明：三体船横摇阻尼远大于常规单体船,而横摇运动幅值响应远小于常规单体船;侧体的横位置对三体船横摇具有显著影响,侧体纵向位置对横摇影响很小。综合考虑运动响应和横摇周期,在不规则波中三体船的横摇比常规单体船缓和得多。     

不同航速下某浅吃水船耐波性分析

采用Hydro Star软件，系统分析某浅吃水船在不同航速时的耐波性能。研究结果表明：零航速、设计吃水工况下，横浪时垂荡和横摇运动最为显著。随着波浪偏移至艏/艉附近（±30°），横摇响应幅值算子（RAO）迅速减小；对于左舷处的监测点，纵向、垂向加速度RAO曲线关于左右舷浪向呈不对称分布，差异在横浪附近表现得尤为明显，横向运动的对称性则与此无关；横浪下1阶波浪力矩表现为双峰构型，相较于斜浪更大，导致横摇运动加剧；而斜浪下，低频波浪力矩对横摇起主要作用，且更高的航速对应了更大的等效黏性阻尼，从而一定程度上抑制了横摇响应；根据4级海况的短期预报结果，垂向加速度沿船长不同位置分布不均，随浪向、航速的变化规律也各不相同，在实际营运中应予以综合考虑，以避免不利因素的影响。     

基于AQWA的S-Spar平台动力响应分析

为了研究深水极端海况下带螺旋板的S-Spar平台的动力响应性能,基于三维势流理论和波浪的绕射/辐射理论,结合水动力分析软件AQWA,在频域内计算了单位波幅规则波作用下螺旋板导程分别为120 m、90 m和60 m的平台的动力响应,得到平台的附加质量、阻尼和运动RAO等水动力参数;基于频域分析结果,考虑随机波浪荷载及风、流的共同作用和系泊缆是否破断的工况,计算了系泊于1 500 m水深的螺旋板导程为120 m的平台在极端海况JOHNSWAP谱作用下的动力响应,并与不带螺旋板平台的动力响应进行了对比.分析结果表明:不同螺旋板导程的平台垂荡方向上的附加阻尼差异较大;在极端海况下,螺旋板导程为120 m的S-Spar平台的运动响应满足要求;螺旋板存在时会大幅增加平台的首摇运动幅值,忽略螺旋板可能会高估平台的首摇运动性能;不带螺旋板的平台的系泊缆张力幅值偏大,忽略螺旋板可能会高估系泊缆的极限张力.     

半潜式海洋平台水动力性能分析

本文以一艘半潜式海洋平台为研究对象,利用AQWA研究平台在规则波中的频域水动力。结果表明,平台横荡的附加质量和附加阻尼对平台的幅值响应影响较大,在高频区域内,幅值响应算子(RAO)的变化幅度较小。     

两圆柱体在波浪载荷作用下的运动响应分析

基于势流理论和波浪辐射/绕射理论,利用水动力分析软件(AQWA)研究两圆柱体在波浪作用下的运动响应特性,给出不同入射角与不同频率规则波作用下,小圆柱体单独运动时的六自由度响应幅值算子(RAOs)及运动响应,并与两个并排圆柱体六自由度响应幅值算子(RAOs)及运动响应作比较。结果表明:大圆柱体的干扰将使小圆柱体的纵摇、横摇、横荡、垂荡运动加剧,对小圆柱体漂移力也有较大影响,但对小圆柱体的纵荡与首摇运动影响不大。计算结果与传统方法计算值相近,证明此软件合理,可为两船在波浪中的干扰模拟计算提供参考。     

水深对三体船运动和波浪载荷的影响

利用三维势流理论和简单格林函数计算了迎浪航行时不同航速和不同水深组合下的波浪运动响应和载荷传递函数,研究不同水深和航速组合对三体船的波浪运动响应和波浪载荷的影响,并对船舯垂向弯矩和舯后1/4船长处剪力进行了长期预报.将预报值与规范值进行比较,结果令人满意.计算结果表明三体船在不同水深下航行时,水深对其运动响应和波浪载荷都会产生显著影响.     

跨江桥梁中拱形独立式防撞装置水动力特性研究

为研究拱形独立式防撞装置的水动力特性,通过水动力学软件AQWA,建立了频域动力学模型,基于三维势流理论和时频转换关系分析计算了装置水动力特性,计算得到了不同浪向角、不同波浪周期下的幅值响应算子RAO;不同水深、不同波浪周期下的附加质量、辐射阻尼和一阶波浪力的水动力参数,对比分析了各项参数三自由度方向上对拱形独立式防撞装置的影响。结果表明：各项水动力特性参数对防撞装置的运动影响极其复杂,在纵荡、横荡、垂荡方向上均受到不同程度的影响。各水动力特性呈现的不规律性,将引起拱形独立式防撞装置的非线性运动,考虑防撞装置的水动力特性对准确评估防撞装置的影响具有重要意义。     

月池对FDPSO水动力性能的影响分析

采用数值模拟的方法,分析了不同尺寸、位置、吃水的月池对FDPSO船体附加质量和阻尼系数的影响。建立FDPSO三维水动力模型,采用水动力计算软件AQWA,研究了月池在不同尺寸、位置、吃水情况下对FDPSO横荡、垂荡、横摇附加质量和阻尼力的影响。结果表明：月池内流体的“活塞”振荡会增大船体的垂荡运动;FDPSO船体附加质量和阻尼力在频域范围内存在极值,垂向附加质量和阻尼力极值对应的波浪频率位置与月池尺寸、吃水有关,与位置无关。     

月池对浮式钻井生产储油轮水动力系数的影响分析

采用数值模拟的方法,分析了不同尺寸、位置、吃水的月池对浮式钻井生产储油轮(FDPSO)船体附加质量和阻尼系数的影响。建立FDPSO三维水动力模型,采用水动力计算软件AQWA,研究了月池在不同尺寸、位置、吃水情况下对FDPSO横荡、垂荡、横摇附加质量和阻尼力的影响。结果表明,月池内流体的"活塞"振荡会增大船体的垂荡运动;FDPSO船体附加质量和阻尼力在频域范围内存在极值,垂向附加质量和阻尼力极值对应的波浪频率位置与月池尺寸、吃水有关,与位置无关。     

基于AQWA的波浪能发电装置主浮体水动力特性研究

利用水动力计算软件AQWA对双浮体式振荡浮子波浪能发电装置主浮体进行仿真分析,对不同尺寸垂荡板的主浮体进行建模仿真,并就各自RAOs、激振力、附加阻尼和附加质量进行频域分析。结果表明,在波浪频率低于0.3 Hz时,垂荡板尺寸对其影响尤为明显;当波浪频率分别大于0.2 Hz、0.36 Hz和0.35 Hz时,垂荡板尺寸分别对RAOs、激振力和附加阻尼失去影响;对于同一吃水线、不同垂荡板尺寸的主浮体,波浪频率对其附加质量有较大影响,且垂荡板尺寸越大影响越严重。     

两船在波浪载荷作用下的运动响应分析

基于波浪辐射/绕射理论,利用水动力分析软件AQWA研究两船在波浪作用下的运动响应特性,给出驳船受浮式生产储油船(FPSO)影响时的附加质量和辐射阻尼,分析了驳船的漂移力和运动响应。计算结果表明,当两船间距为5 m时驳船的附加质量比间距为10 m时的值大2倍多,驳船的附加质量和阻尼随着间距的减小逐渐增大;在间距30 m时,驳船的速度越小所受的漂移力就越大,并且驳船的横摇和首摇运动就越剧烈。     

Calibration of response amplitude operators based on measurements of vessel motions and directional wave spectra

A vessel's response to waves is dependent on a large number of parameters, some of which are both frequency and direction dependent. To predict vessel response, these parameters are used to construct response amplitude operators (RAOs) that act as transfer functions between the directional wave spectra and the motion spectra of the vessel. In particular situations, however, vessel motions predicted using RAOs calculated with general-purpose radiation-diffraction codes and measured wave spectra are found to deviate from measured vessel responses. To address this problem, a methodology for calibrating RAOs based on measurements of the directional wave spectra and vessel motions is proposed. Use is made of a vector fitting method through which the frequency dependent hydrodynamic properties of the vessel can be approximated by a ratio of two polynomials, thus greatly reducing the number of parameters that need to be calibrated. The reduced set of parameters is subsequently related to previously identified causes of RAO inaccuracy in order to arrive at optimization algorithms for identifying more accurate RAOs from the measurements. It is shown that the RAOs can be improved with accuracy in situations where the discrepancies are caused by imprecise estimates for the vessel's radii of gyration, center of gravity, or viscous damping. When the discrepancies in the RAOs are related to the potential mass, damping and wave forces, however, the problem becomes highly non-convex and it is not possible to find a unique RAO that satisfies the data.     

大吨位沉船打捞多体系统耦合水动力特性研究

双驳船抬吊法是大吨位沉船打捞中主要采用方法之一。两艘驳船、难船构成的系统具有尺度大、间距小等特点,波浪环境形成复杂水动力耦合效应,基于势流理论,增加人工阻尼修正其粘性影响,利用AQWA软件开展单驳船、两驳船约束其一、两驳船耦合三种状态多体系统水动力数值预报研究,重点分析不同状态下驳船运动响应及波浪载荷,探讨了驳船约束模式、浪向角及周期对驳船水动力影响规律,探明了浪向角与周期对驳船耦合水动力及运动响应不利干扰,对指导沉船打捞多体系统的空间布局与作业海况具有重要意义。     

Exciting forces for a wave energy device consisting of a pair of coaxial cylinders in water of finite depth

Two coaxial vertical cylinders-one is a riding hollow cylinder and the other a solid cylinder of greater radius at some distance above an impermeable horizontal bottom,were considered.This problem of diffraction by these two cylinders,which were considered as idealization of a buoy and a circular plate,can be considered as a wave energy device.The wave energy that is created and transferred by this device can be appropriately used in many applications in lieu of conventional energy.Method of separation of variables was used to obtain the analytical expressions for the diffracted potentials in four clearly identified regions.By applying the appropriate matching conditions along the three virtual boundaries between the regions,a system of linear equations was obtained,which was solved for the unknown coefficients.The potentials allowed us to obtain the exciting forces acting on both cylinders.Sets of exciting forces were obtained for different radii of the cylinders and for different gaps between the cylinders.It was observed that changes in radius and the gap had significant effect on the forces.It was found that mostly the exciting forces were significant only at lower frequencies.The exciting forces almost vanished at higher frequencies.The problem was also investigated for the base case of no plate arrangement,i.e.,the case having only the floating cylinder tethered to the sea-bed.Comparison of forces for both arrangements was carried out.In order to take care of the radiation of the cylinders due to surge motion,the corresponding added mass and the damping coefficients for both cylinders were also computed.All the results were depicted graphically and compared with available results.     

三体船横向结构波浪设计载荷试验与规范比较研究

三体船连接桥结构波浪设计载荷的确定对结构设计中关注的横向强度问题来说是非常重要的.为了研究一艘三体船连接桥横向波浪载荷,进行了该三体船的水池模型试验,包含不同浪向下规则波与不规则波试验.试验对连接桥遭受的分离弯矩Msp、分离剪力Qsp和横向扭矩Mtt进行了测量,分析了其传递函数和统计的特性.根据对这些连接桥横向波浪载荷在试验值、推断值与规范计算值之间的比较分析表明:劳氏规范关于这些横向波浪载荷的计算值可能对应于规则波双幅波高6.0m;对于不同的横向波浪载荷来说,保证率为99%的设计载荷推断值对横向扭矩Mtt来说要大于规范计算值,而分离弯矩Msp和分离剪力Qsp的推断值对应的规范计算值则相当,这意味着没计人员在用劳氏规范进行校核时,横向扭矩Mtt的规范计算值是偏向于冒险的,应给予特别关注.     

复杂地形下平台水弹性响应研究

在以往的研究中,波浪对浮体的水动力响应作用大多采用有限均匀水深或无限水深情况进行计算,考虑实际复杂地形对浮体性能影响的研究较少,但事实上地形的变化对浮体影响不可忽略,尤其岛礁附近区域珊瑚礁地形复杂,需要考虑地形对波浪场的影响。文章先从简单情况入手,入射波浪采用有限水深均匀入射波,使用有限水深格林函数求解源强,但加入了地形对浮体波浪绕射和辐射的影响。基于这些假定,验证了该方法计算结果的准确性,进而对某浮式平台在复杂地形下的水动力进行计算,并与均匀有限水深的结果进行比较,两者总体趋势吻合。结果表明,地形的存在对低频区运动响应影响较大,相比均匀水深波动较大。该文可以为浮体在实际地形下水动力响应计算研究工作的开展提供一个参考。     

Hydrodynamic forces on a two-dimensional multihull structure in waves: application of the scattering matrix theory

The diffraction and radiation problems of a two dimensional multihull structure were investigated by application of the scattering matrix theory. The scattering matrix theory is widely used to analyze wave interaction problems in various scientific fields. The research is focused on the zeros of the wave exciting force near resonance, which occurs both in the diffraction problem and the radiation problem. At the zeros of the wave exciting force, the wave exciting force for the overall structure is zero, but each demihull undergoes wave excitation. At near-resonant frequencies, the amplitude of the traveling wave between adjacent demihulls becomes very large and the demihulls experience very large wave forces. A number of simple equations for representing the hydrodynamic properties of the multihull structure at the zeros and near-resonant frequencies are obtained. Numerical examples show that these simple equations well explain the hydrodynamic forces and the wave system in the spaces between the demihulls.     

超大型FPSO原油质量分布模拟与水弹性响应研究

FPSO在近海油气田开发中得到了越来越广泛的应用.大多数在渤海海域服役的FPSO工作在浅水海域.主尺度大与水深吃水小,直接导致FPSO水动力特性与深水条件下船舶的水动力特性有较大区别,因此采用水弹性理论研究超大型FPSO在浅水中的运动与波浪诱导载荷响应具有重要意义.浅水超大型FPSO满载时原油重量将近占载重量的80%,因此如何正确模拟原油重量分布对干结构的固有频率、广义质量和振型的计算非常重要.本文建立了基于三维水弹性理论的数值模型,开发了有限水深复合格林函数的数值计算程序模块,对一艘300K DWT FPSO在特定水深海况下的运动与波浪载荷响应进行了研究;同时采用三种方法模拟了原油质量分布.计算结果表明,不同的原油质量分布模拟方法对水弹性计算分析影响很大.