南海浮式码头与系泊系统动力耦合分析

南海部分海域由于海底地形限制,运输船舶无法正常靠泊作业,可采用成本较低的浮式码头供运输船舶停泊使用。该文应用基于开源平台Open FOAM开发的船舶与海洋工程CFD求解器―naoe-FOAM-SJTU,对一座分布式系泊系统的浮式码头在入射波浪作用下的运动响应进行了数值模拟。文中系泊系统的求解采用基于集中质量法的动力分析方法,给出了码头运动和系泊系统所受动力的时历曲线,并且将结果同静力分析进行对比,验证了采用动力分析方法的可靠性和必要性。     

FPSO串靠外输系统动力分析

FPSO串靠外输方式因其对环境的适应性好,安全性较高,是FPSO原油外输的主要方式。该文考虑了风、流和系泊缆索的耦合动力,建立了FPSO串靠多浮体系泊系统的时域耦合运动模型,其中浮体时域水动力系数由频域的结果通过快速傅立叶变换转换得到。数值求解时,浮体时域运动方程采用Newmark-β法,系泊缆索采用时域非线性有限元方法。基于自主开发的Fortran计算程序对南海海域一艘张紧式系泊FPSO与其配套的躺底式系泊穿梭油轮及两船间系泊大缆组成的串靠输油系统进行了理论计算,得到了FPSO及穿梭油轮的纵荡运动响应,系泊缆索上端点张力,系泊大缆张力等时间历程。通过谱分析讨论了低频波浪力和波频波浪力对FPSO串靠系泊系统的作用。同时探究了风向和流向对FPSO串靠系统的影响。该串靠多浮体系泊系统耦合动力模型能合理解释物理现象,可用于分析实际作业的串靠外输系泊系统。     

混合浪作用下系泊船舶运动响应规律试验研究

采用双峰频谱模拟涌浪和风浪同时出现的混合浪,以一艘26.6万立方米的LNG船舶为试验对象,对混合浪作用下系泊船舶的运动响应规律进行物理模型试验研究。结果表明:当混合浪能量一定时,系泊船运动量大多随着低频部分波浪能量的增大而增大;在一定装载状态下,系泊船纵荡和垂荡运动量随混合浪中涌浪周期的增大逐渐增大,横荡、横倾和回转运动量峰值与船舶自然固有横荡周期存在着一定的比例关系;当混合浪中风浪条件一定时,系泊船运动量大多随着涌浪波高的增大迅速增大;当混合浪中涌浪条件一定时,风浪波高的改变对系泊船舶运动量的影响较小;在横向波浪作用下,系泊船纵倾运动受混合浪变化影响很小。     

波浪周期对系泊船舶运动影响试验研究

系泊船舶泊稳是港口设计和营运过程中的重要问题,系泊船舶泊稳标准从实质上讲就是限制系泊船舶的运动量。较长周期波浪作用下的系泊船舶泊稳问题愈来愈受到各方的关注,选取了一艘10万吨级散货船进行横向不规则波作用下的系泊模型试验,在同一波高下变化入射波浪周期,通过系列试验,分析波浪周期对系泊船舶横移、横摇和升沉运动的影响。研究结果表明,系泊船舶横移运动量总体上均随着波浪周期的增大而增大,横移运动对波浪周期的响应敏感程度是变化的;系泊船舶横摇和升沉运动量均随着波浪谱峰周期的增大先增大然后减小,当波谱谱峰周期与相应的船舶固有周期接近时,横摇和升沉运动量均出现了一次峰值。     

波浪荷载作用下桥墩码头动力响应分析

采用数学理论推导了规则波浪荷载与随机波浪荷载的计算表达式,并应用仿真数值模拟对波浪荷载作用下桥墩码头结构的动力响应进行了分析,研究了波浪的波高、周期、入射角、水深四个波浪参数对桥墩码头动力响应的影响。通过施加两种不同形式的极限波浪荷载,确定了桥墩主应力的分布规律以及危险区域。计算结果表明:波高和水深对桥墩码头的影响较大,但是波高的变化对桥墩的影响更为显著;周期对桥墩的影响有一定的局限性;入射角对桥墩码头影响最小;桥墩的最大主应力没有超过混凝土的抗拉设计强度,并富有一定的安全储备,桥墩是安全的。     

基于全非线性层析水波理论的波群时历模拟研究

为了研究波群作用下的船舶参数激励横摇特性,该文引入了高阶无旋层析水波理论（HLIGN）开展波群的数值模拟研究。结合C11集装箱船顶浪不规则波参数横摇模型试验的测试数据,选取目标波群样本,通过二阶非线性造波理论获得了波群造波水池试验结果。利用全非线性波浪模型对波群进行数值模拟,给出了波群模拟时的造波边界设置和计算参数设置方法,并通过与物理造波结果对比发现,HIGN波浪模型对波群模拟有较高的精度,可很好地模拟波群的非线性传播特性。     

基于Level-set方法的三维数值水池造波研究

该文以速度边界输入式造波为基础,提出了采用Level-set捕捉自由液面的创新方法,通过自主开发建立了三维数值波浪水池,同时利用有限差分法对URANS方程进行离散;为了避免来自有限边界处反射波的干扰,在靠近水池出口处采取网格衰减以及在动量方程中添加阻尼项进行消波处理,并讨论了两种方法的优劣性。将模拟得到的规则波与目标波进行对比,数值结果表明,阻尼消波吸收波能的效果更为显著。所建立的三维数值黏性水池能够迅速并持续产生稳定可靠的波浪,可为模拟预报不同海况下船舶的运动响应提供较为真实的波浪环境。     

舰船在波浪中补给的运动性能研究

本文介绍舰船在波浪中补给时的运动响应理论计算方法，运用三维势流理论计算两船的水动力相互作用和波浪扰动力。根据两船的相对运动进行两船补给时的相碰概率预报。预报结果与水池船模试验进行了初步验证，吻合较好。     

深海浮式风机在波浪上的运动响应分析

浮式风机系统在作业中受到空气动力、波浪力和系泊系统系泊力的共同作用。该文建立了一种时域耦合分析方法对浮式风机系统进行全耦合运动响应分析,主要包括空气动力模块、水动力模块和系泊系统模块。空气动力模块采用CFD方法模拟风机叶轮受到的风载荷,并通过NARMAX理论建立风载荷模型;水动力模块采用势流理论,通过自由面GREEN函数法计算浮体的频域水动力系数,再将结果转换到时域;系泊系统模块采用锚泊线理论,用三维有限元方法对挠性部件进行分析;系统的运动采用Newmark-β方法求解。在此基础上,针对一深海Spar型浮式风机系统建立耦合模型并进行计算,得出风载荷模型、平台的水动力系数以及在脉动风下浮体运动响应和系泊缆索张力响应。经验证,该耦合模型的计算结果可为风机和系泊系统的设计提供一定的参考依据。     

波群的统计分析与模拟

本文据连云港、石臼港和赤湾港的现场实测波浪资料,按波高系列和波浪包络理论进行了波群的统计分析;讨论了波群发生概率,比较了不同的波群程度的描述方法。最后,在分析和模拟波列及按SIWEH方法模拟波群以后,提出用试算法模拟波群。     

黄、渤海近海海浪环境测量与分析

利用近海海浪环境开展大尺度船模试验是一种有效的船舶性能试验技术,了解近海海浪环境特征对该试验的开展具有重要意义。文中对黄、渤海多个海域近海海浪进行实地测量,采用谱分析法得到测量海浪的有义波高、特征周期、波能谱等参数,并将实测波浪谱与大洋谱进行无因次化比较,讨论了实测波浪谱与大洋谱的相似性。分析结果表明特定风向与潮汐条件下近海海浪谱与大洋谱具有相似性。     

狭窄水域中单点系泊/拖带船舶动力学行为的试验研究

对单点系泊／拖带船舶在狭窄水域中的动力学特性进行了试验研究。找到了船模的四种稳定运动模式；探讨了不同来流速度和系缆长度对于船只的动力学响应和系缆力的影响。试验表明，船模运动呈现出典型的非线性特征，观察到了吸引子的共存、跳跃和Hopf分岔现象，系缆张力的大小与船舶的动力学行为密切相关，振转运动(鱼尾状摆动)发生时的系泊力远大于船只静止时的缆绳张力；振转运动中的突发系缆载荷可能是导致缆绳断裂的重要原因。与宽广水域相比，狭窄水域中的系泊／拖带船只更宜发生振转运动。     

THE STATISTIC CHARACTERISTICS OF IRREGULAR BREAKING WAVE FORCES ON VERTICAL WALLS

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内河航道中船行波在岸坡爬高的数值模拟

该文基于RANS方程、RNG k-ε湍流模型建立数值波浪水池,用VOF法追踪自由面的位置,并模拟了内河航道中船行波的生成、传播、爬高和岸壁反射过程,且与典型断面航道中船行波在岸坡最大爬高和回落的现场测量值进行了比较,验证了数值模型的有效性。通过对航道中船行波进行数值模拟,获得了船行波的波形及其在岸坡上爬高与回落的最大值。分析了船舶吃水、航速和航道岸坡倾角对特征波高以及最大爬高与回落的影响。最后建立了计算船行波特征波高、爬高和回落的经验公式。     

船舶进出闸室对系缆力的影响

船舶进、出闸室时,船行波在闸室内引起较大水面波动,造成闸室内系缆船舶的系缆力增大,影响闸室内的船舶停泊安全;大型船舶进、出闸室时,产生的船形波作用更强,对系缆船舶的系缆力影响更大。通过1∶36.3三峡船闸的物理模型和相同比尺5 000 t级典型大型船舶模型,采用系列物理模型试验,对船舶进出船闸时闸室内系缆船舶的系缆力进行了研究。研究结果表明,闸室内有系缆船舶时,船舶进、出闸的航行速度对系缆船舶的系缆力影响很大,进、出闸速度越快,其系缆力也越大。三峡船闸中,当水深5.5 m,闸室内有系缆船舶,大型船舶偏航进、出闸室时,为保证船舶停泊安全,航行船舶的进、出闸速度宜小于0.5 m/s。     

Ship waves in rivers: Environmental criteria and analysis methods for measurements

A literature review shows that the most important physical quantities determining environmental impact of ship waves in a waterway are the fluid velocities, maximum and minimum water levels, and size of drawdown events. Fluid velocity can vary strongly in the vertical so that the usual measurements at a single point are not enough unless made near where the effects are most important, often the bed. Customary use of wave height as a measure of impact has been misleading, because the all-important fluid velocity is of a scale given by wave height divided by wave period. A good and simple estimate of the surface velocity as a disturbance scale is shown to be given by the time derivative of the free surface height. The most important role of linear wave theory is to explain and understand the physics and measurement procedures, such as done here in several places. Its use for obtaining numerical results is criticised. Instead, three integral measures of impact are proposed, all of which use surface elevation measurements and which require no essential mathematical approximations or wave-by-wave analysis. The methods are applied to a study of ship waves on the Danube River. A number of results are presented, including examination of the effects of measurement frequency. After a ship passage, due to repeated shoreline reflections of the wake waves, the river is brought into a long-lasting state of short-crested disturbances, with finite fluid velocities. The environmental consequences of this might be important. After the primary and secondary ship waves it could be called the tertiary wave system.     

三峡升船机承船厢整体动态特性研究

采用比尺为25的承船厢整体动态模型,通过微机控制的多通道测量分析系统,对三峡升船机承船厢运行过程中的整体动态特性,如吊索拉力、厢内水体和系缆力变化进行了初步的综合性研究,对影响上述动态特性的诸因素及其相互关系进行了初步探讨。     

波浪作用下系泊船舶运动计算

港内船舶泊稳条件是港口设计中的一个决定因素。但到目前为止,国内外港口工程设计规范对港内泊稳标准无统一规定。由于波浪引起的船舶运动与波周期、波高及船舶频率响应特性等因素密切相关,因此不能单一地以波高或船舶运动量作为泊稳标准。本文讨论了将STF（Salvesen—Tuck—Faltinsen）法与简单格林函数法结合汁算透空式码头前的船舶运动特性,试图为此问题提供一种解决工具。与其它文献、试验数据的比较表明,本文计算值吻合良好。