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.     

大波陡条件下FPSO上浪及其载荷特征的试验

为研究大波陡条件下船首甲板上浪的上浪水流动以及上浪载荷特征,针对一艘浮式生产储油轮的简化船首模型进行了水槽试验.模型试验采用了固定安装的方式,试验工况为一系列不同波陡的5阶Stocks波和聚焦波,通过高速摄像仪和力传感器分别测量并记录不同工况下上浪水流动的详细过程以及砰击载荷情况.结果表明:大波陡条件下典型的"翻卷式"上浪伴有波浪变形、爬升、坍塌、破碎及砰击的现象,对甲板及垂直板产生了巨大的冲击载荷;甲板上浪载荷的峰值出现在甲板首部及垂直板底部附近,垂直板上冲击载荷的峰值出现在船体中线位置,上浪水在甲板上的流动存在明显的三维效应;干舷、浮态和波形参数等对上浪水流动和上浪载荷会产生重要影响.     

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.     

甲板上浪问题的二维数值模拟

以连续性方程和N-S方程为控制方程,采用源造波理论和技术,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,并使用VOF方法追踪自由面来模拟二维情况下的甲板上浪问题.文中就迎浪状态下的固定FPSO和横浪状态下的运动船体断面模型所遭遇的甲板上浪现象分别进行了数值模拟研究.船体的运动规律通过势流理论计算结果给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现.研究表明,计算结果与试验结果相当吻合,该方法可以用于甲板上浪现象的预报和模拟,可以用于分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用.     

船舶甲板上浪横摇的时域模拟

本文应用数值模拟方法,计算了一艘中型船舶在规则波及随机波中,考虑甲板上浪和不计上浪两种情况下的横摇运动。为了考察初稳心高度在计及和不计甲板上浪两种情况下的影响,考虑了三种不同的初稳心高。计算结果表明,对于横摇运动,计及上浪和不计上浪,在高波浪情况下会有较大差异,特别对具有小初稳性船的情况,甲板上浪会导致倾覆。这说明对小型船舶,甲板上浪这一因素,在船舶的安全性中是必须考虑的。     

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.     

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。     

Deck Structure Optimization of Offshore Drilling Platform based on Green Water Analysis

深海钻井平台甲板上浪时水流变化及其载荷对甲板和上层建筑,乃至钻井平台的服役寿命影响很大.文章采用VOF方法及消波理论进行了圆筒型深海钻井平台SEVAN650的上浪分析,获得了平台上浪时主要监测点的时间-压力曲线.根据时间—压力曲线的变化优选特征点,并将各特征点数据导入数值模拟前处理器,完成了上浪分析和结构优化之间的无缝对接,实现了对深海钻井平台上层建筑的加载.强度分析结果表明可以对上层建筑内部采用丰字型焊板进行结构优化,数值分析结果表明平台优化后的最大应力减小了17.3%,应力集中部位的平均应力减少了26.7%,应力分布更加均匀.结合上浪分析和结构优化的分析方法为海工平台结构分析提供了一种新方法.     

基于CFD的通用型FPSO船首外飘耐波性

为探究通用型FPSO船首外飘带来的耐波性影响,基于CFD-FV方法采用Fluent软件进行三维时域模拟,模拟在巴西海域重现期为20年的极端海况下2种外飘模型的甲板上浪现象,对甲板上浪和波浪砰击进行耐波性分析。通过动压公式和砰击区域对云图动压进行验证。结果表明,3.5m的垂向外飘降低了35.09%的上浪程度,增加了相对的局部砰击载荷,局部应力主要分布于船首舷墙和主水层所在甲板的位置。局部应力满足船级社对浮式结构的设计要求。通过综合对比发现,船首外飘提高了FPSO整体的耐波性能,为通用型FPSO的船首外飘外型设计提供参考。     

舰船在恶劣海况中非线性波浪载荷与上浪载荷研究（英文）

在恶劣海况中航行的舰船不仅会发生大幅的运动而且还会承受一些非线性波浪载荷,比如上浪与砰击载荷。这些高频的非线性波浪载荷的联合作用(尤其是砰击)会影响船体结构安全。为此,过去几十年里大量学者开展了相关的研究。本文介绍了在中国船舶科学研究中心耐波性水池开展的一条舰船模型的波浪载荷试验研究,研究测量了模型在多工况下的波浪载荷与上浪压力。其次,使用了二维非线性程序(NORS)基于势流理论并考虑非线性对该船在大波高中的波浪载荷开展了数值计算研究。NORS程序能够在时域内考虑瞬时湿表面变化、船体砰击上浪载荷,其计算精度在大量的工程计算中得到了验证。另外,基于试验结果与数值计算结果,分析研究了船体波浪载荷的频率特征、试验结果中上浪载荷变化的特征。本文研究结果可以对该舰船结构强度评估和结构设计起到支撑和指导作用。     

随机横浪中甲板上浪船舶的倾覆研究

应用相空间转移率,定量研究了随机海浪中甲板上浪船舶的倾覆,给出了甲板上浪对船舶抗倾覆能力的影响.综合考虑非线性阻尼、非线性恢复力矩和随机横浪激励,建立了无甲板上浪和有甲板上浪时船舶随机非线性横摇运动的一般方程.以一艘倾覆的拖网船为例,分别求解了无甲板上浪和有甲板上浪时,不同海况激励下船舶横摇的相对相空间转移率.以相空间转移率作为船舶稳性损失的度量,定量比较了两种情况下船舶的抗倾覆能力.研究表明,甲板上浪后,船舶在较低的海况下会产生较大的相对相空间转移率,甲板上浪严重降低船舶的抗倾覆能力,从理论上进一步揭示了甲板上浪船舶的倾覆机理.     

船舶甲板上浪压力的模型试验

本文介绍一艘无舱盖集装箱船在恶劣海况中的反上浪压力试验结果，曾进行了顶浪、艏斜浪、横浪、艉斜浪和随浪等七个浪向的试验。试验结果表明：甲板上浪压力最大发生在顶浪，最大压力值近４倍的船吃水水柱高，甲板上浪次数最频繁的浪向是艏斜浪，为２６．５次／小时，横浪时上浪次数较少，而在艉斜浪和随浪状态则无甲板上浪。     

内转塔式系泊FPSO甲板上浪的时域模拟

采用时域模拟方法,对一内转塔式系泊FPSO的甲板上浪问题进行了计算和分析,给出了甲板上指定点的垂荡运动时历及甲板上浪次数统计值,为内转塔式FPSO的设计提供参考依据.     

某船上天线所受甲板上浪载荷模型试验

本文介绍在中国船舶科学研究中心的波浪水池进行的某船上安装的球形天线上所受甲板上浪冲击载荷的船模试验。共进行了顶浪和首斜浪的４个状态的不规则波试验,给出了上浪冲击压力峰值的统计结果和典型上浪压力时历时历曲线,对测量结果进行了简要分析。     

FPSO关键管路甲板上浪与砰击载荷计算

以FPSO甲板上受波浪冲击的典型结构物为研究对象,从甲板上浪和砰击两个方面分析布置于主甲板、舷侧、船艏及艉部低艉甲板的板型和细长型结构的甲板上浪和砰击载荷计算方法。运用CAESAR II分析软件,建立泡沫、货油卸载、海水排舷外管路的应力计算模型,提出甲板上浪和砰击载荷的合理加载方式,以及对管路布置的优化方案,为类似项目管道工程设计提供依据。     

海浪流场作用下的邮轮实船运动仿真

邮轮推进器的选择对于船舶营运影响重大,为了获得适应真实海况的邮轮,有必要研究风浪流对船舶航行的影响。本文针对大型邮轮在真实海况下顶浪航行的运动响应和阻力变化等问题,基于CFD方法建立了数值波浪水池,对实船尺度下的网格划分依据收敛性进行调整,以JONSWAP海浪谱为基础模拟了不规则波浪的生成与传播,并通过对实尺度船舶在多种海况下顶浪航行的数值模拟得到实尺度船舶在海浪中航行时的阻力值变动及运动响应情况,通过对比分析研究了不同海况对船舶顶浪航行的影响。对实船在真实海况下的仿真与预测为实际邮轮推进的选型提供了依据。     

工作水深对半潜式平台气隙影响的敏感性研究

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑平台承受的风、浪、流环境载荷及全尺度锚泊系统,以一典型双浮体四立柱半潜式平台为例,对半潜式平台气隙响应进行了非线性数值分析.考虑到时域内模拟随机波时存在不稳定性,在每种工况下进行了10个子工况,以90%的Gumble分布值作为最终的平台气隙结果.通过数值模拟研究表明:在300、400、500 m工作水深中,相同的环境条件、锚链参数,以及相同的预紧力工况下,45o、90o和180o三个方向在时域内的平台气隙结果显著不同,工作水深对平台气隙影响非常敏感,在平台设计过程中应充分考虑水深的影响.     

甲板上浪对渔船甲板作业人员安全的影响

渔船在恶劣的海况下航行时,容易受到甲板上浪的影响,进而使甲板上作业人员的安全性受到影响。基于势流理论、概率统计方法和洪水波理论,计算甲板上浪概率和甲板上浪产生的冲击力。通过计算作业人员承受的上浪冲击力、摩擦力和安全设备的防护力,分析人员安全状况,给出相关应对建议。     

锚机和绞车地脚螺栓强度校核计算分析

为满足CRS规范对甲板机械地脚螺栓受力的要求,本文介绍了地脚螺栓连接方法的选择,并讨论了上浪载荷和支持负载在不同工况下锚机和绞车地脚螺栓的轴向载荷和横向载荷的计算方法。     

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。