水陆两栖飞机波浪水面滑行水动特性研究

采用边界造波法对规则波进行了数值模拟并加以验证,结果表明数值模拟得到的波浪在波长、波高以及周期等主要波浪参数方面具有良好的精度。采用有限体积法与VOF方法,并结合重叠动网格技术,分别模拟了不同滑行速度以及不同浪向角情况下,水陆两栖飞机在波浪水面上的滑行过程,计算结果表明：飞机滑行速度越大,水动载荷的变化幅度越大,飞机垂向过载的最大值越大,飞机垂向位移和纵倾角的变化幅度越大,变化周期越长;飞机最好在尾斜浪或顺浪的状态下滑行,能够在一定程度上减小飞机垂向过载、垂向位移和纵倾角的波动。     

SPAR平台在波浪中运动的时域预报方法

在船舶与波浪相互作用时的三维预报方法的基础上,发展了SPAR平台与规则波相互作用的时域数值预报方法,该方法计入了SPAR平台垂荡和纵摇阻尼效应。使用该方法对一经典SPAR平台进行了规则波中的时域数值模拟。通过计算分析可以看出,该方法能捕捉SPAR平台在临界波浪周期下的耦合运动,验证了该方法的可靠性。     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著.     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析（英文）

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究。通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著。     

单柱式浮式风力机动力响应数值与试验分析

以200 m作业水深的5 MW OC3单柱式浮式风力机为研究对象,采用FAST程序对其在不同海况下的运动进行全耦合时历数值计算,并与采用1∶50缩尺比模型试验所得时历结果进行对比,通过时域以及频域方法对平台主要自由度运动以及系泊拉力进行分析。研究发现:垂向运动带来的自由面记忆效应较纵向和横向小;悬链线式模型所能提供的系泊拉力较张紧式系泊提供的拉力小;风浪联合作用下,风载荷主要激励低频固有频率运动,波浪载荷则主要激励波频运动;平台纵荡和纵摇运动受系泊系统的影响较大,而垂荡运动则不受系泊系统的影响。     

水上软刚臂系泊FPSO运动特性试验研究

为了评估水上软刚臂系泊FPSO在浅水域极端海况下作业的安全性能,通过静水衰减和共线风浪流联合作用工况的物理模型试验,分别得到系泊FPSO各自由度的固有周期和运动响应。通过时域分析得到FPSO在纵荡向大幅共振运动的产生机理。FPSO垂荡运动包括低频成分和波频成分,分别表现为类似于波浪相应成分的时历过程。而纵摇运动由于对软刚臂的系泊作用非常敏感,其与纵荡运动时历过程也表现出较高的相关性。     

浅水FPSO垂荡和纵摇运动的低频响应

对软刚臂系泊FPSO在浅水不规则波作用下的垂荡和纵摇运动响应进行数值计算与模型试验研究,水深16.7 m.试验中的波浪校验结果显示,在波浪谱中出现明显低频长波成分.计算结果与试验结果均显示,垂荡和纵摇波浪力、运动响应既有传统的波频成分,也出现显著低于波浪频率的低频成分,而且低频响应的能量和幅值甚至会远大于波频响应.垂荡和纵摇运动的低频响应不具有能量集中的共振频率,而是具有较宽的低频能量分布.这种显著低频响应的出现,与浅水中低频长波的存在有关,表明其不仅对系泊FPSO水平面运动性能影响极大,也会显著影响垂荡和纵摇这类垂直面运动的波浪力和运动响应,在理论预报时需要予以重视.     

国外核动力潜艇耐波性理论预报

采用STF理论和Frank源分布-紧密拟合法对国外核潜艇潜望状态进行了纵荡、垂荡、纵摇、横荡、横摇、艏摇和垂向加速度等波频运动耐波性理论预报.给出了不同航速、航向时的规则波运动响应和不同航速、航向、波高、波浪平均周期时的不规则波运动统计值.对典型艇型进行变化稳心高、纵向和横向惯性系数计算.最后对各艇进行了耐波性能比较.     

不同随机波影响因子下张力腿平台动力响应

采用时域耦合法对某传统式张力腿平台进行非线性动力响应研究,重点讨论不同随机波有义波高、谱峰周期和入射波方向对张力腿平台各自由度运动响应和顶端张力的影响。结果显示,本文各工况各自由度最大位移均满足设计要求。纵荡、垂荡和首摇运动幅值对有义波高较为敏感;平面内运动对谱峰周期较敏感,而谱峰周期对平面外运动影响不大;平面内运动对入射波角度较敏感。纵荡和首摇为低频运动,垂荡和纵摇为高频运动,其中垂荡与纵荡相耦合;由于高频载荷引起平台升沉、横摇和纵摇运动,而这3种运动又作用于张力腿轴向振荡,从而使得张力腿顶端张力表现为高频响应。     

基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

深海应急救生舱波浪中的运动响应数值分析

为探明浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能的影响,运用CFD软件进行浮力材料3种不同配置体积的深海应急救生舱在水面规则波下横摇和垂荡运动的数值模拟,得到横摇和垂荡运动频响曲线,采用统计分析方法,求得3种深海应急救生舱在三级、四级和五级海况下横摇和垂荡运动幅值。分析结果表明,深海应急救生舱浮力材料配置体积对深海应急救生舱水面耐波性能有较大影响,在满足总体要求和上浮过程安全稳定的基础上,浮力材料配置体积越小,深海应急救生舱的水面耐波性能越好。     

新型漂浮式垂直轴风力发电机平台的动态响应分析

针对一种功率为50 kW的H型垂直轴风力机,为解决传统半潜式平台垂荡响应大的问题,设计一种安装垂荡架的半潜式风力机平台。考虑风、流及波浪载荷的综合作用,采用绕射/辐射理论和水动力分析方法,对传统平台和垂荡架平台的运动进行数值模拟,结合正交设计方法研究外浮筒数目、垂荡架安装位置、垂荡架形状对平台运动响应的影响。结果表明,在频域分析中,与传统平台相比,垂荡架平台在垂荡、纵荡、纵摇3个方向上的响应极值均有明显降低,垂荡响应极值减小10.4%;时域耦合分析结果与频域分析规律相同,垂荡架平台在垂荡、纵荡、纵摇3个方向上的响应极值、标准差均比传统平台降低,表明安装垂荡架后平台的稳定性更好;正交试验结果表明,对半潜式垂荡架平台垂荡时域RAO极值影响最大的因素是外浮筒的数目,其次是垂荡架布置位置,影响最小的是垂荡架的形状。     

和型组合共振激励下深海SPAR平台运动稳定性分析

深海SPAR平台在环境载荷作用下的运动稳定性问题已经成为当前的研究热点。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方式,在不考虑系泊张力影响并且满足组合共振条件情况下,探讨当波浪幅值达到一定程度时垂荡、纵摇响应的局部分岔现象。结果表明：在组合共振发生时,垂荡、纵摇响应均变得不稳定,而且纵摇响应幅值较大;垂荡固有频率与两倍的纵摇固有频率之间的偏差越大,激起纵摇分岔现象需要的波浪幅值越大;波浪频率在一定范围内的变化对a5曲线影响不大,但当波浪频率与垂荡和纵摇固有频率之和的偏差超过一定范围时组合共振现象会消失。     

顶浪中首固定翼波浪推进艇的运动响应和航速预测

基于STAR-CCM+软件对安装首固定翼的无人艇在顶浪规则波条件下的运动响应和波浪推进航速进行研究。利用DFBI模块建立了波浪推进艇的数学模型,应用SST k-ω模型,结合VOF方法,对波浪推进艇在不同周期和波高条件下的运动响应进行数值仿真,得出波浪推进艇垂荡和纵摇运动频率响应函数(RAO)及航行速度。研究结果表明：随着波高的增大,水翼产生的推力逐渐增大;艇体的垂荡运动响应受波高影响较小,艇体纵摇运动响应由于水翼产生的阻尼效应随着波高增大而逐渐减小;波浪推进艇航行速度随着波高增大先增加而后迅速减小。     

考虑颤振效应的超大型集装箱船极限强度

砰击颤振会威胁船体的总纵强度,本文先依据海况对响应贡献率最大的原则确定计算海况,然后计算得到一艘超大型集装箱船的波浪载荷时历,并采用Weibull、Gumbel以及GEV(Generalized Extreme Value distribution)分布拟合得到载荷短期极值沿船长的分布且校核了目标船的极限强度。本文通过短期极值Weibull、Gumbel分布拟合的结果与载荷的规范计算结果对比,发现有必要在考虑砰击颤振效应下利用波浪载荷直接预报结果校核目标船结构强度。     

专家控制-改进S面算法在近水面航行器运动控制中的应用研究

[目的]旨在提高舵板响应速度和效率,以满足近水面航行器在静水及波浪干扰下的深度保持和姿态控制要求。[方法]在S面算法的基础上,提出一种具有更快收敛速度的改进S面控制算法,并与专家智能控制相结合,建立闭环专家控制-改进S面算法的混合控制模型,构建混合算法控制器。对比分析PID算法、S面算法、改进S面算法以及专家控制-改进S面算法在近水面航行器航行深度、姿态控制间的差异,并进行波浪干扰下的运动预报。[结果]预报结果表明：改进S面算法在静水航行控制中可提高收敛速度,波浪干扰下可降低纵摇幅度;专家控制-改进S面算法能够提高舵的控制效率,在静水中快速实现航行状态稳定转换,在波浪中有效降低近水面航行器垂荡和纵摇幅值30%以上。[结论]所提专家控制-改进S面算法对近水面航行器运动稳定性的提高适用性良好。     

深海钻井船大开口阶梯形月池水体的非线性共振特性研究

为了避免月池内部水体与外界波浪共振引发的危害,本文采用数值模拟与模型试验结合的方法,在特定频率下对矩形大长宽比月池内部水体爬升进行探究.分析了船体不同自由度运动(船体静止、船体仅有垂荡运动、船体有垂荡和纵摇运动)对月池内自由液面爬升的影响.结果表明,船体具有垂荡及纵摇两个自由度时,月池边界处波浪爬升幅值远高于船体仅有垂荡自由度的情况.分别采用不同幅值的规则波进行数值模拟,结果表明波浪幅值线性增加时,月池内自由液面爬升幅值不会线性增加,而是增量下降.     

考虑颤振效应的超大型集装箱船极限强度

砰击颤振会威胁船体的总纵强度。依据海况对响应贡献率最大的原则确定计算海况,而后计算得出某超大型集装箱船的波浪载荷时历,并采用Weibull、Gumbel及GEV分布拟合得到载荷短期极值沿船长的分布且校核目标船的极限强度。将短期极值Weibull、Gumbel分布拟合的结果与载荷的规范计算结果进行对比,研究表明,有必要在考虑砰击颤振效应的工况下,利用波浪载荷直接预报结果校核目标船的结构强度,为后续研究提供参考。     

箱式浮体在波浪中的运动分析

为研究浮体在波浪中的运动,工程中采用基于刚体运动学的理论,应用牛顿第二定律建立了箱体在六个自由度的耦合运动方程.采用修正的切片法计算了箱体在规则波中运动的附加质量、附加阻尼和静水恢复力,并以纵摇和垂荡两个运动模态为例,在频域和时域内计算了浮体在规则波中两个运动模态的波浪载荷和运动响应,并对运动响应特性进行了分析.     

Spar平台垂荡一纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。