浅水FPSO舷侧波浪数值模拟

单点系泊FPSO具有风标效应,因此船首迎浪时的甲板上浪问题广受关注,然而在非共线海况下斜向迎浪时,会存在舷侧甲板上浪现象.基于FLUENT软件,建立三维数值波浪水池,对浅水中的FPSO在首迎浪、首斜浪时舷侧附近的波浪变形和波浪爬升现象进行数值模拟,对舷侧甲板上浪特性进行研究分析.结果表明,首迎浪时舷侧波浪爬升和甲板上浪不明显,首斜浪时波浪爬升主要集中在船舯附近,舷侧波浪受到反射波叠加的影响,波浪水体形成堆积和爬升,导致舷侧比船首更容易发生甲板上浪.     

FPSO甲板上浪的数值模拟

FPSO在其生命周期内遭受的上浪风险很大,严重的上浪可导致结构的损坏。本文建立了三维数值水池,对规则波下固定FPSO的甲板上浪进行了数值模拟。得到了甲板和甲板室上的冲击载荷和上浪水在甲板上的水位高度以及波浪沿船首爬升、变形、破碎的过程。水池采用动边界造波,自由面由VOF方法来捕捉,在水池后段的动量方程中添加了源项以消除后端壁面的波浪反射。     

运动船体甲板上浪的三维数值模拟

本文充分利用势流理论方法和CFD技术各自的优势建立了一种能够准确地再现甲板上浪现象的数值模拟方法.基于Fluent软件平台的二次开发,实现了浮体在波浪中遭受甲板上浪作用的数值模拟.船体的运动规律通过势流理论计算给定,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.文中就迎浪状态下的运动FPSO模型所遭遇的甲板上浪进行了三维数值模拟研究,甲板上水体流动及其对结构物的冲击载荷与试验结果吻合良好.研究表明,该方法对上浪机理能给出较为清晰的描述,为进一步分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用提供了基础.     

高速船甲板上浪的水体流动与冲击

针对高速船舶的甲板上浪,综合考虑船体外飘、船艏波面升高、波浪传播与船体运动等相关因素的影响,采用势流理论计算和CFD技术相结合的方法,建立了计入整船运动的船艏上浪计算模型,计算模拟并分析了甲板上水体流动形态及其对甲板结构的冲击作用。计算中船体运动通过势流理论给定,势流理论计算通过用户自定义函数嵌入Fluent软件,并通过二次开发实现了上浪现象的模拟。文中就迎浪状态下高速行驶的S175船甲板上浪进行了三维数值模拟研究,结果表明甲板上水体的流动及其对结构物的冲击载荷与试验吻合良好,该方法能够对上浪机理给出较为清晰的描述,能够分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用,为工程应用提供了良好的方法和途径。     

三体船在斜浪规则波中运动响应预报方法研究

对于三体船在波浪中的水动力预报,航速效应和主体与片体间水动力干扰效应是水动力载荷合理预报的关键之处,需合理考虑.二维半势流理论可较为准确反映上述效应,已在三体船顶浪中垂向运动响应理论预报上获得了较为满意的结果.在此基础上,该文探讨了该方法在三体船斜浪中运动特别是横摇预报上的应用.为较准确获得三体船横摇运动时粘性阻尼贡献,采用三体船模静水中自由横摇衰减试验获得了自由横摇运动衰减曲线,并经能量法处理获得了船舶横摇阻尼系数.然后,结合二维半理论,获得了三体船运动数值解.数值解与斜浪规则波中运动响应模型试验结果符合较好,反映本文所采用的数值方法可较好地预测三体船斜浪中水动力载荷和运动,可用于三体船在波浪中耐波性评估.     

基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力计算

此文基于CFD方法建立了数值波浪水池,模拟了波浪的生成和传播,并对规则波浪中航行船舶的水动力进行了计算研究.文中讨论了适合船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下数值波浪水池中波浪生成和传播及消波等,模拟计算了多个航速项浪与斜浪航行的约束Wigley-Ⅲ船模的水动力以及项浪中航行船舶的波浪增阻.计算结果与DUT(Delft University of Technology)的试验数据及势流理论的结果吻合良好.对比和研究表明,本文的方法能细致描述船舶周围的流场,且比实验更易实现和控制,在船舶的水动力性能分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

数值波流水池构造方法研究

该文在FLUENT软件平台下构造了二维数值波流水池.基于不可压缩流体RANS方程建立数学模型,使用VOF方法追踪自由面位置;将水池入口取为波浪与水流相遇并产生相互作用的起始位置,给定入射静水波和水流叠加的边界条件;在水池下游设置消波区,采用动量源项消波方法对波浪进行衰减,消除波浪在水池出口边界处的反射,生成了波浪和水流共存的稳定流场.针对不同水流流速剖面和波浪条件进行了数值模拟,并通过实验数据考核数值水池模型的准确性.对Thomas的实验数据进行数值仿真,得到了不同流速的均匀逆流对波高和波长的影响;针对剪切流,模拟了Kemp等的实验数据,计算不同波幅的波浪在非均匀顺流和逆流中的变形.结果显示,数值结果与实验数据吻合良好,表明了该数值波流水池模型能够较为准确地模拟波浪和定常水流的相互作用.     

不规则波在一种复杂断面海堤上越浪的数值模拟研究

以不可压缩黏性流体的Navier-Stokes方程为控制方程,利用VOF方法追踪运动的自由表面,建立了立面二维数值波浪水槽。基于经典溃坝算例验证了数值模型的可靠性,然后采用动边界造波技术生成不规则波浪,对复杂断面海堤上的不规则波越浪进行了模拟和分析,计算结果与实验结果符合。     

规则波下半潜式平台波浪爬升数值模拟

在波浪与平台相互作用时,波浪会沿平台立柱爬升,甚至能爬升至平台下甲板的情况,严重影响平台安全。该文应用基于Open FOAM开源平台的naoe-FOAM-SJTU求解器,对固定的半潜式平台在规则波下的波浪爬升现象进行了数值模拟,采用边界输入法进行造波,并且在数值水池末端设置松弛区进行消波。该文重点聚焦在由于入射波浪和平台相互作用导致的波浪爬升,以及入射波和反射波的叠加造成的波面非线性扰动特性,对固定平台的波浪爬升和气隙响应进行了数值模拟,并考察了固定平台立柱间距以及波浪浪向对波浪爬升的影响。     

二维Stokes波与多块浮冰相互作用数值模拟

该文基于Fluent软件,采用VOF模型中的明渠波浪边界条件,建立生成二维Stokes波浪的数值波浪水槽,并与解析解进行对比验证了生成波浪的准确性。基于此研究二维Stokes波浪与单块浮冰相互作用的特性,分析波浪作用下浮冰的运动和受力特点,以及波浪传播特性。在此基础上,研究二维Stokes波浪与多块浮冰相互作用,将波浪下多块浮冰与单块浮冰的响应进行对比分析,获得多浮冰的耦合效应。     

基于CIP法的波物相互作用强非线性数值模拟

极端波浪环境作用下,浮体易发生上浪拍击等强非线性现象,这一问题也是波浪与浮体相互作用研究的难点之一。该文基于高阶CIP(Constrained Interpolation Profile)法,采用THINC(Tangent of Hyperbola for Interface Capturing)数值技术精确捕捉自由液面,建立了二维多相流强非线性数值水槽模型。通过模拟线性波和孤立波的生成、传播过程,对该模型的收敛性、稳定性及造波性能进行了全面的验证与分析。利用该数值模型模拟和分析了极端波浪对浮体的强非线性作用。     

浮体在浅水中运动产生的孤立波

本文对在浅水中以跨临界速度运动的浮体产生的兴波问题作了数值计算，用作者提出的求解浮体波动问题的新方法，将浮体与流体接触的物面作为自由表面处理，使Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程用于此问题的全域直接数值求解，数值结果使我们得到了新颖的浮体运动产生的孤立波解。     

WAVE-CURRENT INTERACTIONS WITH THREE-DIMENSIONAL FLOATING BODIES

A Time-domain Higher-Order Boundary Element Method (THOBEM) is developed for simulating wave-current interactions with 3-D floating bodies. Through a Taylor series expansion and a perturbation procedure, the model is formulated to the first-order in the wave steepness and in the current velocity, respectively. The boundary value problem is decomposed into a steady double-body flow problem and an unsteady wave problem. Higher-order boundary integral equation methods are then used to solve the proposed problems with a fourth-order Runge-Kutta method for the time marching. An artificial damping layer is adopted to dissipate the scattering waves. Different from the other time-domain numerical models, which are often focused on the wave-current interaction with restrained bodies, the present model deals with a floating hemisphere. The numerical results of wave forces, wave run-up and body response are all in a close agreement with those obtained by frequency-domain methods. The proposed numerical model is further applied to investigate wave-current interactions with a floating body of complicated geometry. In this work, the regular and focused wave combined with current interacting with a truss-spar platform is investigated.     

应用比例边界有限元法研究波浪与带狭缝三箱作用的共振现象

比例边界有限元法（SBFEM）是一种半解析的新数值分析方法,比完全数值方法具有更高的分析精度.本文应用该方法求解波浪与有限水深中三个相同,但之间存在狭缝的二维固定方箱的作用问题,为波浪与多模块超大型浮体的相互作用提供一些规律。文中给出了各箱的波浪力及反射、透射系数的数值结果,与BEM结果进行了比较,吻合良好.发现波浪与三箱的作用存在双共振现象而且中间箱的共振形式与两边箱不同.进一步分析了箱体吃水深度、狭缝宽度和箱体宽度对三箱共振频率的影响.这对超大型浮体水动力分析和结构设计具有一定的参考价值。数值结果证实该方法用较少单元便能得到精确结果,这为超大型浮体的水动力分析提供了一个可行的分析方法。     

A TIME DOMAIN INVESTIGATION ON THE HYDRODYNAMIC RESO-NANCE PHENOMENA OF 3-D MULTIPLE FLOATING STRUCTURES

A 3-D time domain method is developed to investigate the gap influence on the wave threes for 3-D multiple floating structures. Special hydrodynamic resonance due to small gaps between multiple floating structures on wave forces is examined. Strong and complicate hydrodynamic interactions between the floating bodies are observed and the numerical computations have proved the existence of the sharp peak force response on each floating body at some special resonant wave numbers. By comparison with the results from the frequency domain technique, the results obtained from the time domain method reveal the similar resonant phenomena and hydrodynamic interaction. The resonant wave numbers are also proved around kL-nπ （n = 1,2 ……∞） with a corresponding frequency shift. The strong hydrodynamic interaction feature is practically significant for the design of module structures and the links （connection） in whole the floating body system.     

浮式防波堤研究进展

浮式防波堤与其他传统防波堤相比,可适应水深较大、地基软弱、大潮差和引入水体交换等情况,在港口海岸工程、海洋工程以及海水养殖等诸多领域具有广阔应用前景。对国内外浮式防波堤的主要研究成果和进展进行了综述,从理论推导、经验公式和数值计算3个方面归纳和总结了浮式防波堤波浪透射系数的计算方法。介绍了浮式防波堤结构型式的研究进展,重点分析了浮箱式、浮筒式、浮筏式及其相应改进结构等不同型式浮式防波堤的消浪原理和消浪效果,分析比较了不同结构型式浮式防波堤的优缺点。最后介绍了浮式防波堤在国内外的工程应用,并分析了限制浮式防波堤应用的主要原因,指出了目前浮式防波堤研究方面的不足,以及推广应用浮式防波堤需要进一步研究的内容。     

A LINEAR HYBRID MODEL OF MSE AND BEM FOR FLOATING STRUCTURES IN COASTAL ZONES

1. INTRODUCTION In coastal zones, wave propagation in water is considerably affected by the topography of the sea bottom, which may result in changes in the direction and shape of the waves and may cause redistribution of their energy in space, etc. Waves may also lose a certain amount of energy by wavebreaking or by other forms of dissipation. It can be easily seen that wave propagation in shallow waters is a very complicated process resulting from various mechanisms. The dominant mechan…     

不平水底浅水波问题的位移法

该文研究考虑不平水底的二维浅水波问题的位移法。利用水平位移与竖向坐标无关的假定,建立了基于位移的浅水波方程和相应的Hamilton变分原理。针对文中提出的基于位移的浅水波方程,利用有限元和保辛算法建立了相应的计算格式。最后给出一个具有抛物线型河床的浅水周期晃荡算例。数值算例表明该方法可以有效模拟带动边界和不平水底浅水波问题。