超大型浮体结构考虑非线性项的波浪力响应计算

为求解超大型浮体结构波浪响应问题,将其简化成弹性梁板模型。以有限元软件为基础来建立超大型浮体结构的弹性梁板模型,在势流理论的基础上,将速度势分解为入射势、绕射势和辐射势三部分,并利用格林函数法推导出一阶、二阶波浪速度势的表达式。以此为理论基础,编制了相应的计算程序来计算浮体结构所受到的二阶波浪力,最后建立了梁板模型的水弹性响应方程,对非线性波浪力作用下的浮体结构的水弹性响应进行求解分析,并分析了波向对响应振幅的影响。     

系泊浮体在浅水波浪中运动响应的计算研究

对于船舶在浅水中的运动和锚泊系统响应问题,使用时域方法计算一艘起重铺管船在浅水无航速系泊状态下在波浪中的运动响应.基于三维频域势流理论,应用SESAM软件计算浮体在规则波中的频域水动力参数及运动响应.通过频域到时域的转换方法,得到浮体在时域中的水动力系数和不规则波的一阶与二阶波浪力.在时域内计算锚链拉力,再耦合数值求解浮体时域运动方程,得到其在不规则波中的运动时历.最后,采用本方法计算铺管驳船在多点系泊状态下,在浅水波浪中的6个自由度的运动响应和锚缆张力,并将计算结果与模型试验进行比较.分析表明本方法能够提供具有工程精度的船舶运动性能预报.     

非均匀海底环境下铰接超大型浮体的水弹性响应分析

本文采用基于离散模块思想的频域水弹性分析方法,对处于非均匀海洋环境下的铰接超大型浮体的水弹性响应进行分析.该方法首先将连续浮体离散为多刚体系统;然后应用三维势流理论获得各个刚体的水动力系数,将其与弹性梁刚度阵进行耦合,得到浮体在波浪作用下的运动学方程;随后引入铰接约束矩阵,建立铰接超大型浮体在非均匀海底环境下的运动学方程,在频域中求解该方程得到浮体的位移响应;最后利用梁的弯曲理论,获得浮体的弯矩分布以及铰接点处的轴向力和剪力.通过对比不同入射角度、波长和海底条件下浮体的水弹性响应,发现非均匀海底对铰接点的位移和受力有明显的影响.     

超大型浮体的水弹性响应分析

针对海上超大型浮体与波浪相互作用这一流固耦合问题,把超大型浮体简化为二维薄板,应用特征函数展开法求解流场速度势,采用正弦模态函数对结构运动进行模态展开分析,计算浮体的水弹性响应。     

多浮体铰接薄板结构运动响应研究

应用Newman的广义运动模态分解方法和拉格朗日乘子法,基于波浪辐射和绕射理论建立了铰接多浮体结构水动力响应的运动方程,应用预修正快速傅里叶变换(p FFT)的边界元方法对由15块板组成的铰接多浮体结构的运动响应进行了研究。数值结果表明该p FFT方法计算精度和计算速度均很高,可用于任意形状和约束状态的多体结构的水动力分析。板间距的改变对铰接点处垂荡和横摇影响较大。     

高架索航行补给中船舶在波浪中的运动性能研究

采用三维势流理论计算高架索航行补给中两船在波浪中的运动响应,将船体周围流场速度势分解为波浪入射势、自身绕射势、相邻船体的存在产生的绕射势、自身辐射势和相邻船体运动产生的辐射势,通过源汇分布法进行求解;对高架索索道上的恒定张力在耦合方程中表示为高架索瞬时张力系数矩阵;求解两船体在规则渡中的联立运动方程可得两船的运动响应.通过计算结果与高架索航行补给中两船运动响应的试验结果进行比较,吻合良好,说明文中的计算方法是可行的,在此基础上,对不同高架索恒定张力和不同浪向角条件下的接受船运动幅值响应进行计算并讨论.最后得出结论.     

多自由度轴对称型波能转换装置水动力性能研究

提出了由垂直轴对称浮体和铰接动力输出(PTO)管组成的多自由度波能转换装置,垂向动力输出机构安装在PTO管内,在波浪作用下浮体可沿PTO管滑动。应用线性势流理论建立该波能转换装置的水动力分析模型,并简化为浮体垂荡、浮体及PTO管相对于铰接点的纵摇和横摇3个单自由度运动方程。为了验证计算模型的正确性,在随浪工况下将各单自由度频域计算结果与基于AQWA-NAUT时域计算结果进行了比较。点吸收装置通常利用海浪作用下浮体相对于固定框架或水下物体的垂荡运动获取能量,其能量俘获带宽相对较窄,而论文提出的新型波能转换装置可俘获浮体多个自由度方向的能量。研究表明,相对于垂荡单自由度点吸收装置,新型多自由度轴对称型波能转换装置可提高波能俘获效率及能量俘获带宽。     

非线性铰接双浮体波能转换器的能量捕获特性研究

本文针对传统铰接浮体线性波能转换器捕获效率低、频带窄的固有瓶颈,提出一种可用于铰接浮体波能转换器的简易负刚度机构,可作为一种被动方法提高系统的波能捕获效率。首先,提出一款简单紧凑的负刚度装置,该装置通过在铰接浮体间布置简单的拉伸弹性元件实现;其次,基于线性波浪理论和Cummins方程,建立两模块非线性波能转换器的时域动力学模型,同时为提高计算速度,采用状态空间模型替代表征波浪辐射力的卷积积分项;最后,分析规则波作用下两模块非线性波能转换器的波能转换特性。数值结果表明,通过引入非线性负刚度机构,可有效降低系统的等效固有频率;当负刚度机构调整到适当参数时,系统的弹性力在纵摇运动的相平面上能形成一个椭圆势井,其长轴接近铰接双浮体纵摇运动的模态方向,由此可使两模块的纵摇运动趋于反向,起到被动相位控制的作用。基于上述机理,合适的非线性负刚度结构可有效提高能量的捕获效率和拓宽能量吸收的频带。     

基于双向势流—黏流耦合的数值消波模拟

提出一种基于双向势流-黏流耦合的数值消波方法,将计算域分为靠近浮体的黏流计算域和远离浮体的势流计算域,并通过重叠区域进行流场信息匹配。在黏流计算域中求解N-S方程,采用有限体积法对控制方程离散,采用几何VOF方法捕捉自由液面。在势流计算域中求解Laplace方程,引入线性自由液面假设,采用Rankine源法求解。在重叠区域内通过WheelerStretching方法和松弛区域法进行速度场双向信息交换。基于该方法,在OpenFOAM框架下开发了求解器,并在模型尺度下,对不同参数的规则波进行了模拟,还与waves2Foam求解器的计算结果进行对比。计算结果表明,在同等消波效果下,基于论文方法的数值模拟所需的黏流计算域消波区长度为waves2Foam求解器的1/5。     

海底地形对浮体慢漂响应的影响研究

浮体在波浪中的运动经常受到海底地形的影响,文章基于势流理论,采用高阶边界元方法计算海底地形对浮体慢漂运动响应的影响,计算中充分考虑了海底地形在波浪传播中对其的绕射影响。计算结果表明,变浅的海底地形会导致波浪场的波高增加,浮体运动响应增大,分别对浮体相对海底地形不同位置时浮体受到的波浪力和运动响应进行了定性及定量的分析,分析了浮体相对海底地形不同位置时浮体的水动力特性及运动特性,说明为了更准确模拟近岸或者离岸线性约束浮体的水动力情况,海底地形的影响不能忽略。     

基于Winding number积分方法求解输流管特征方程

Winding number积分方法是一种用于求解复特征值问题的有效方法。在用传递矩阵法分析输流管道的稳定性时,最终需要求解临界流速的特征方程。该特征方程属于复特征值问题,可应用Winding number积分方法来很好的处理。本文以输流直管为例,阐述了该方法的基本思想和计算的方法及步骤,并对典型边界条件下的特征方程进行求解,验证了Winding number积分方法在求解复数方程根时的有效性。最后,在此基础上研究了弹性支撑的刚度系数对输流管道稳定性的影响。     

基于面元法的吊舱推进器定常性能研究

基于势流理论面元法建立了吊舱推进器定常性能的计算方法.分别建立螺旋桨和吊舱的积分方程,通过在表面上布置双曲面元将方程离散为以面元上偶极强度为未知量的矩阵.螺旋桨和吊舱之间的相互影响通过迭代计算来处理.Newton-Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件.为避免数值求导中的奇异性,用柳泽(Yanagizawa)方法求得物体表面的速度分布.支架作为升力体处理,并通过迭代计算更新支架的尾涡形状.计算了拖式吊舱推进器的定常水动力性能,与实验结果的比较表明,计算误差在5%以内.分析了舱体对螺旋桨的影响,舱体的伴流会引起螺旋桨的载荷增大.     

箱式超大型浮体在不平底部海域中的水弹性响应

采用作者们(2007)提出的函数展开法描述箱式超大型浮体漂浮在不平底部海域中的水弹性响应问题.将速度势沿静水面位置展开,其系数是水平位置的函数.根据速度势满足拉普拉斯方程就可将这些系数简化到只有两个未知函数.海底条件和平板动力学方程或联合的自由面条件可以分别在Ⅰ区和Ⅱ区建立两个方程用于确定这两个未知函数.不同区域的解要在公共界面上进行匹配.在求解水弹性问题时,展开法必须要截断,从原理上来说,保留的项数越多,其解可以适用于更高阶的kh,其中k是波数,h是水深.作为一个例子,文中给出了只保留一项的结果,而这正好是人们所熟悉的浅水方程.     

用有效的解析和数值方法估算船舶在随机横浪中的横摇运动（英文）

A steady-state roll motion of ships with nonlinear damping and restoring moments for all times is modeled by a second-order nonlinear differential equation. Analytical expressions for the roll angle, velocity, acceleration, and damping and restoring moments are derived using a modified approach of homotopy perturbation method(HPM). Also, the operational matrix of derivatives of ultraspherical wavelets is used to obtain a numerical solution of the governing equation. Illustrative examples are provided to examine the applicability and accuracy of the proposed methods when compared with a highly accurate numerical scheme.     

回转体-螺旋桨组合体之推力减额的一个数值预测方法

作者把计算回转体绕流的Landweber方法推广到带有运转螺旋桨时回转体绕流问题的计算,导出了附加螺旋桨影响后的物面速度分布的第一类Fredh-olm积分方程。对该方程的迭代求解则用新的加速迭代公式替代常用的Land-weber迭代公式。通过对带与不带运转螺旋桨时回转体上压力差的积分可以得到推力减额。两条模型(分别在风洞、水池的试验)的数值例子表明:本方法的迭代速度要比Landweber迭代公式快,而计算得的推力减额和表面压差分布与试验结果的一致性很好,优于Huaug用Hess-Smith方法算得的结果。     

An ill-posed inverse problem of a wing with locally given velocity data and its analysis

Using locally given vertical velocity data around a wing, an inverse formulation is presented to solve a lifting problem. The inverse problem is expressed by a Fredholm integral equation of the first kind. In this paper, the kernel of the integral equation gives a Hilbert–Schmidt integral operator, and therefore the occurrence of ill-posedness in the sense of stability cannot be avoided in a normal topology. This difficulty is solved by using the regularization method for ill-posed problems. A composition mapping is introduced so that local velocity data can be available for this inverse problem. In this paper, the ill-posed inverse problem of a wing is studied using the Landweber–Friedman's regularization method within the framework of linear potential theory. A numerical example demonstrates that only with locally given velocity data is the regularization method accurate and suitable for the present physical problem of an inverse mathematical formulation. Therefore, the lifting problem can be solved by using a locally given fluid velocity instead of a wing geometry. Received: April 13, 2000 / Accepted: April 20, 2000     

径向激励作用下有限长双层圆柱壳声振传递特性研究

文章利用Donnel壳体方程描述双层圆柱壳振动,以附加阻抗的形式表示环肋、实肋板以及水介质等对壳体的力作用,结合内外壳振动位移模态展开形式,建立了双层圆柱壳内外壳之间的声振传递矩阵。同时开展了双层圆柱壳外壳均方速度响应仿真分析,验证了双层圆柱壳内外壳振动响应之间存在固定的传递关系,不受激励源特性影响,为双层圆柱壳辐射噪声预估提供了一定的理论指导。     

有限水深中垂直下潜弹性薄板的水波散射(英文)

The problem of water wave scattering by a thin vertical elastic plate submerged in uniform finite depth water is investigated here.The boundary condition on the elastic plate is derived from the Bernoulli-Euler equation of motion satisfied by the plate.Using the Green’s function technique,from this boundary condition,the normal velocity of the plate is expressed in terms of the difference between the velocity potentials(unknown)across the plate.The two ends of the plate are either clamped or free.The reflection and transmission coefficients are obtained in terms of the integrals’involving combinations of the unknown velocity potential on the two sides of the plate,which satisfy three simultaneous integral equations and are solved numerically.These coefficients are computed numerically for various values of different parameters and depicted graphically against the wave number in a number of figures.     

基于求解速度势通量的指定压力分布二维翼型设计方法

为了提升翼型的水动力和空泡等性能,指定压力分布的翼型剖面设计的方法多数集中在给定攻角下的翼型剖面的设计,该方法存在计算量较大,收敛性不理想,特别是推广到三维问题时,上述问题尤为突出,限制了翼型设计的进一步发展。文章以势流理论面元方法为基础,通过求解指定压力分布条件下翼型表面的速度势通量,获得翼型表面形状的修正量,并将修正量分解为攻角的变化以及剖面自身的变化两部分,从而得到了翼型唯一的设计攻角和翼型剖面几何（厚度分布、拱度分布）。文中采用上述方法对二维翼型问题进行了设计验证,表明该方法可以设计任意指定压力分布的翼型剖面,理论上该方法可以用于全三维翼型的设计问题。     

基于无奇异边界元法模拟三维全非线性液舱晃荡

文章基于全非线性势流理论对三维液舱晃荡进行了数值模拟,其控制方程由无奇异边界积分方程法(Desingular-ized Boundary Integral Equation Method,DBIEM)进行离散求解,在求解全非线性的自由面微分方程时,文中采用混合欧拉—拉格朗日法(Mixed Eulerian-Lagrangian,MEL)和四阶Adams-Bashforth-Moulton(ABM4)预报—修正方法,为了避免结果发散即增强数值稳定性,文中采用B样条法来光顺自由面.在微幅水平激励下,该文中得到的结果与解析解吻合较好.