波浪入射角及地形对浮体水动力学特性影响的有限元分析

  目的  边界元法在海洋工程水动力学中有着广阔的应用前景,为推广边界元法在海洋工程水动力学中的应用,  方法  根据边界积分法建立积分方程,采用参数化单元边界元法对势流问题进行求解,得出流场速度势。对经典算例进行数值计算,与数学解析解比较,并进行误差分析。在二维问题下,分别采用非连续参数化单元和参数化单元边界元法求解势流速度场问题;在三维问题下,采用参数化单元边界元法求解势流速度场问题。  结果  结果显示,在二维问题下,采用非连续参数化单元边界元法求解势流问题具有较高的精度和效率,可以在采用较少单元数的情况下得到较为理想的数值解;在三维问题下采用参数化单元边界元法虽然计算速度较快,并可以得到较好的平均相对精度,但有些点误差较大,需要改进算法或使用其他单元进行求解。  结论  参数化单元边界元法在求解海洋工程势流问题时,数值计算实现过程更简洁,可发展成为求解船舶兴波等船舶水动力学问题的通用方法。     

中国南海波浪作用下悬浮隧道运动响应研究

通过采用光滑粒子法求解弱可压流体运动方程,建立波浪-悬浮隧道-系泊系统全耦合时域分析模型,研究波浪对悬浮隧道耦合作用下的动力响应。基于中国南海实测海洋环境数据,对波浪作用下悬浮隧道的整体受力、运动响应及系泊受力进行研究。结果表明：受雷诺数影响,隧道受到的波浪力与波浪强度呈非线性关系;系泊缆与海床夹角越小,隧道的纵摇幅值越小;当角度为45°时,隧道运动性能及系泊缆受力能够达到较好的平衡状态。研究结果能为悬浮隧道选型及系泊系统设计提供参考。     

波浪作用下带月池结构船体运动数值预报

  目的  带月池的海上平台作业效率及作业安全性要求不断提高,波浪作用下平台自身运动及月池内流体运动带来的共振问题愈发凸显。  方法  为此,基于势流理论的常数边界元法,开发波流与三维物体相互作用的数值模拟计算程序。选取某带月池钻井船,对其运动展开频域数值计算,对无航速时数值模型计算程序的计算结果与水动力软件AQWA计算结果进行对比,验证无航速时所开发计算程序的可靠性。将波流工况计算结果与实验结果对比,验证该数值方法的准确性。  结果  通过比较多种月池长宽比、月池吃水、波浪入射角度以及有、无航速情况下的船舶运动,发现带月池钻井船在升沉和摇摆运动上都会发生共振现象,引入迎流流速会调制和加剧月池的共振。  结论  研究结果可为带月池船舶的运动响应预报及共振抑制提供参考依据。     

波浪作用下钻井船月池内流体水动力性能研究

为了规避钻井船月池内发生共振情况带来的危险,本文采用势流理论和CFD数值模型相结合的方式,对钻井船的水动力性能和月池内流体运动进行研究。在入射波为月池共振周期的情况下,将船体有无耦合运动时月池内流体的不同运动进行比较研究,得出船体运动会增大月池内流体运动的结论。     

大型起重船在规则波中的频域响应分析

本文基于势流理论和波浪的辐射/绕射理论,以3 600 t起重船作为研究对象,利用水动力分析软件Aqwa研究了波浪载荷对起重船的频域响应特性,计算了不同海底深度下起重船作业时的附加质量和辐射阻尼,以及当遭遇横向海流载荷危险工况时,不同航速对起重船动态响应的影响。结果表明：在低频区域内,起重船的附加质量和辐射阻尼随着水深的增大而减小,而高频区域内几乎不受海水深度的影响。当起重船遭受横向波浪冲击时,航速也对其本身的动态稳定性略有影响,且频率介于0.75～1.0 rad/s之间处于危险作业范围,通过上述动态响应等分析,为起重船作业时的波浪载荷预报提供可靠的理论依据。     

带阻尼板结构的圆筒型平台波浪载荷预报分析

运用三维势流理论和Morison公式相结合的数值计算方法分析筒型平台的运动响应和波浪载荷特点,采用Morison公式计算平台舭部阻尼板结构的波浪力;对于大尺度结构,波浪载荷采用线性绕射理论进行计算,分析表明,该圆筒型海洋平台的波浪力和运动响应计算结果可直接用于结构设计.     

小水线面双体船在波浪中的水动力计算

采用直接边界元法,利用三维移动脉动源格林函数计算小水线面双体船在波浪中的水动力.针对小水线面双体船在零航速、横浪时所受到的波浪载荷最大的特点,分析计算了横浪和斜浪工况下水动力大小和分布特性.     

波浪上托力作用下高桩码头结构的动力分析

通过有限元计算软件ANSYS,对波浪上托力作用下高桩码头结构进行动力分析。研究结果表明：波浪缓变压强 作用下,采用动力计算和采用静力计算得到的码头结构各处的内力基本相同,波浪缓变压强可等效为静力来计算码头结构 内力;波浪冲击压强作用下,采用动力计算得到的码头结构内力明显小于静力计算结果,波浪冲击压作用下的高桩码头结构 宜进行动力分析;由于波浪上托力频率与码头结构自振频率相差甚远,因此其作用下的高桩码头结构不会产生共振现象。     

波浪对外壁开孔双圆筒结构的作用

以速度势的特征函数展开和透空壁内两壁间压力差和流体速度成正比的线性模型为基础,对于波浪和透空外壁同轴双筒柱之间的相互作用,可以得到一个线性半解析解.数值实验用以检验孔隙系数和透空部分大小,以及内外柱径之比对双筒柱上波浪力和波面高度影响.文中还列举出物理模型实验结果与数值实验结果的比较,可以看出二者吻合较好.通过调整备个系数,双筒柱可以减小波面高度及波浪荷载.     

船行波作用下生态护岸空腔结构动力特性研究

针对限制性航道船行波作用下的生态护岸问题,研发了新型生态护岸空腔结构,开展自航船舶模型水槽试验,研究船行波作用下腔体内流速分布、紊动特征及集鱼效应。结果表明,在船行波作用下,受腔体复杂结构控制,水体流动由低频波振荡流转变为高频边界层紊流,距边壁越远流速越大,且能量在各频率趋于均匀分布。腔体内紊动呈现多峰值并逐渐耗散的过程,正常船速4.60 m/s时,最大紊动能为0.002 5 m²/s²,位于鲫鱼的偏好动能范围之内;船速增大至6.3 m/s时,最大紊动能为0.177 1 m²/s²,超出鲫鱼的偏好动能范围,不利于鱼类栖息,船舶在鱼类重点保护区宜限速航行。     

直墙建筑物后不规则波越浪压力试验研究*

越浪作用直接关系到直墙建筑物的安全、顶高程的决定等问题.采用物理模型试验,研究不规则波越浪压力在不同基床肩宽、基床高度、胸墙顶端相对静水面高度与波浪要素等因素影响下的规律.通过最小二乘法和非线性多元回归分析,拟合出无因次越浪压力和各主要影响因素相互关系的计算公式,供工程设计参考与进一步研究.     

波浪作用下桩基承台结构的波浪力计算

针对一桩基承台结构,分别采用理论方法和数值模拟方法计算其在波浪作用下的结构受力,并开展物理模型试验进行对比验证。理论方法分别采用Morison公式计算下部桩基结构受力,绕射理论计算上部承台结构受力;数值模型基于Fluent求解Navier-Stokes方程,通过UDF修改源项来实现造波,建立数值水槽。计算结果表明:因没有考虑上部和下部结构间的相互影响,理论方法计算的结构受力比试验结果稍偏小;而数值模型在计算桩基、承台和整体受力时都取得了很好的计算结果,特别是有波浪在承台上越浪时,也能取得很好的结果。建议在桩基承台结构波浪力计算时使用该方法。     

新型多孔结构不同开孔前墙在波浪作用下的受力分析

针对在地形限制条件下常规直立式护岸在波浪作用下前墙反射严重、直立式沉箱结构前墙配筋量和混凝土用量较大导致不经济等问题,进行不同开孔结构在波浪作用下的试验研究以及前墙弯矩内力分布计算。采用波浪物理模型试验和有限元数值模拟分析方法,得到波浪压强以及结构前墙内力分布。结果表明,新型多孔结构可有效减小波压力,避免严重的波浪反射叠加作用,同时前墙只承受部分波浪力作用,由此产生的内力和变形均较小,此趋势在一定范围内与开孔增加呈正相关。可优化多孔结构前墙构件的配筋以达到经济效果。     

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。     

基于斜坡堤圆弧面灯桩结构的波浪力研究

斜坡堤上圆弧面灯桩结构的波浪力研究对防波堤的设计和稳定具有重要意义。通过在波浪水槽内进行物理模型试验,对不同位置波压力随时间的变化过程、波压力沿结构表面分布规律以及当水平力或垂直力最大时各测点的同步波压力分布特性进行分析,再将试验结果与规范直立式胸墙的波浪力计算结果进行对比。结果表明,无掩护部分的波压力主要由冲击压力和缓变压力组成,有掩护部分的波压力表现为缓变压力;从灯塔顶部到上灯桩基础,波压力随相对高度的减小而先增大后减小,当水位超过结构物一定高度,且有块体掩护时,底部波压力近似均匀分布;水平力最大时的最大波压力发生在无块体掩护的灯塔的中下部;半掩护条件下,灯桩结构所受波浪水平力比无掩护条件下小,比全掩护条件下要大;基于海港水文规范公式得出修正系数以及拟合公式,可用于计算斜坡堤上此结构形式的波浪水平力。     

波浪与高桩承台式结构作用的试验研究*

针对舟山市泗礁岛的车客渡码头工程建设情况及工程海域特点,以高桩承台式结构为研究对象,通过波浪断面物理模型试验,对比3种不同设计方案下高桩承台式结构后的次生波波高及透射率、上水越浪情况,以及原设计直桩方案和修改方案结构所受到的波浪力,并对原设计直桩方案结构前挡浪板夹缝处的流速进行测量,综合整个波浪断面物理模型试验,对比不同方案的试验结果。结果表明,直桩方案堤前波浪条件较斜桩方案差,而斜桩方案堤后波浪条件较优;由于结构设计高程接近波浪作用较强区,越浪及破碎波浪冲击均较大,在设计中应对结构上部排水和受力予以关注。     

靖江边滩演变水动力特性分析

对近年来靖江边滩周期性切割发生的位置、 切割时的规模和切割体的大小进行梳理分析,并对1966年以来已发生的12次较大规模切割时机和切割流量进行重点研究.结果表明:洪季和枯季均有可能出现切割.洪季落潮切割时上游径流38700～54100 m3/s,平均47000 m3/s;枯季涨潮切割时上游径流11800～23700m3...     

不规则波作用下波浪爬高计算方法

通过物理模型试验,研究了不规则波作用下光滑不透水单坡和复坡上的波浪爬高,分析了主要影响因素波陡、坡度、波浪入射角、平台宽度和高程对波浪爬高的影响规律,得到了海堤结构波浪爬高的计算公式及其不同累积率换算关系,并提出了多级平台海堤断面波浪爬高计算方法,可适用于复杂海堤断面的爬高计算,与40多个实际工程的模型试验结果对比,具有较好的计算精度,可供工程设计参考.     

不规则波作用下波浪爬高计算方法

通过物理模型试验,研究了不规则波作用下光滑不透水单坡和复坡上的波浪爬高,分析了主要影响因素波陡、坡度、波浪入射角、平台宽度和高程对波浪爬高的影响规律,得到了海堤结构波浪爬高的计算公式及其不同累积率换算关系,并提出了多级平台海堤断面波浪爬高计算方法,可适用于复杂海堤断面的爬高计算,与40多个实际工程的模型试验结果对比,具有较好的计算精度,可供工程设计参考。