集装箱船靠泊状态下垂荡与横摇运动特性研究

该文使用边界元程序WAMIT计算了靠泊状态集装箱船在入射波激励下的垂荡与横摇运动响应特性.对于斜浪(45°)与横浪(90°)情况,研究了靠泊集装箱船在满载与空载条件下垂荡与横摇幅值随入射波频率的变化.对比开阔海域与靠泊状态下集装箱船的垂荡与横摇运动幅值,发现了靠泊状态下集装箱船垂荡与横摇最大幅值增加的现象,并通过比较两...     

环境荷载参数对钢悬链线立管动力响应的影响

海洋环境变化多端,钢悬链线立管(SCR)在复杂的环境荷载作用下容易发生疲劳破坏而影响安全,为研究立管在环境荷载作用下的动力响应,本文利用ABAQUS有限元软件对SCR建模,在立管上部悬挂点施加位移边界条件模拟浮体的运动,在立管的触地段采用刚度基于P-y曲线的非线性弹簧单元模拟立管与海床的相互作用,并通过调节立管环境荷载参数,研究了浮体运动、波浪振幅、周期和海流速度等参数对钢悬链线立管动力响应的影响。结果表明:钢悬链线立管随着环境荷载参数的变化呈现出不同的动力响应,立管对浮体的垂荡运动更敏感;波浪的振幅越大、周期越小,立管触地点与悬挂点的动力响应越大;海流速度增大,悬垂段长度会变大。     

二维浮体的低频作用力

本文用缓慢调制的Stokes波模拟入射波群,并采用多重尺度方法研究了波群对二维浮体的低频绕射问题,得到了一阶和二阶纸频绕射势,求得了相应的低频作用力,证明了由一阶低频绕射势所产生的二阶低频力垂直于静止自由表面,它与入射波包络波幅的平方以及浮体水线面的宽度成正比,而与浮体具体形状无关,低频绕射所产生的水平力来源于二阶低频绕射势,通过求解两个线性边值问题就可以计算它。     

有限深两层流体中水波与水平圆柱潜体的相互作用

研究了有限深两层流体中表面波模态和内波模态的水波与水平圆柱潜体的相互作用问题。在线性势流理论框架内,建立了两种模态入射波作用下,水平圆柱体绕射势的多极展开求解理论。基于所建立的求解模型,对作用在圆柱体上的波浪力进行了数值计算分析,并且与均匀流中情况进行了比较。结果表明了,在入射波的某个频率范围内,流体的分层效应对圆柱体波浪力的影响是不可忽略的。同时,对流域内的绕射速度矢量场进行了数值分析。     

波浪驱动下箱式浮体运动响应及受力的数值研究

为揭示波浪驱动下箱式浮体运动响应及受波浪力的影响机制,采用Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)方法对不同Keulegan-Carpenter(KC)数工况下单个浮体的运动响应及所受波浪力、不同浮体间距δ工况下2个浮体的运动响应进行了系统研究.结果表明:KC数越大,单个浮体的运动响应越...     

波浪作用下浮体自由升沉运动对月池共振影响研究

当波浪激励频率与月池的固有频率耦合时,月池流体会产生大振幅共振行为,引起流体和浮体的剧烈运动,使工程作业存在一定的安全隐患。该文基于开源流体力学计算软件OpenFOAM~?软件包建立了黏性流数值波浪水槽,对波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振水动力行为进行了研究分析。为验证该数值模型,将其结果与实验数据进行对比,以确保数值计算的准确性。结果表明：在波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振存在双峰现象,而固定浮体仅存在单峰。自由升沉系统两共振频率对应的月池内波幅响应和浮体运动响应的峰值,均随入射波高的增加而减小,共振频率不随入射波高而变化。同时,考虑结构物吃水的影响,发现该系统共振频率随吃水增加而减小,表明吃水对月池内波响应和浮体运动响应均有显著的影响。     

漂浮式波浪能发电装置的水动性能分析

针对海况对波浪发电装置的影响,本文创新性地设计了一种新型漂浮式波浪能发电装置并描述了其工作原理。以该装置为基础并对装置波浪能采集部分建立了仿真分析模型。基于AQWA水动性能计算机软件,计算了装置中漂浮浮体在不同吃水深度、不同尺寸大小的RAO值,以及波浪波向和波浪周期对装置整体的时域响应。发现浸水达到1.3~1.4 m、漂浮体直径在2.8 m时RAO值达到理想值,当波浪推进方向在25°、波浪周期为3 s时浮体整体振幅较大,对波浪能采集效率有较大提高。     

垂向振荡对螺旋桨敞水性能的影响研究

船舶在波浪中航行时,船身垂荡运动的同时也带动着螺旋桨相对于周围流体振荡。为了研究振荡对螺旋桨推进性能的影响,该文采用相对运动的数值模拟方法,实现了螺旋桨自身旋转运动和垂向振荡运动的同步进行。对比了不同振荡频率、振幅对螺旋桨敞水性能的影响,结果表明,垂荡会提高螺旋桨的敞水性能,且随着振荡频率、幅值的增大,螺旋桨的推力系数、扭矩系数和敞水效率也略有增大。     

基于AQWA的漂浮式风力机驳船式平台的动态响应

为研究漂浮式风力机驳船式平台的动态响应,建立基于ITI Energy Barge平台的NREL 5MW漂浮式风力机模型。通过辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA,考虑风、浪、流环境的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了各波浪力随波浪频率的变化及平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的动态响应。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;随着海洋环境恶劣程度的增加,平台的动态响应增大;平台在垂荡方向RAOs要大于纵荡方向。     

下凹内孤立波流场与横置细长潜体相互作用特性的实验研究

该文在大型重力式分层流水槽中开展横置细长潜体遭遇下凹内孤立波的流场和作用力特性的实验研究,采用PIV技术测量内孤立波及其与潜体相互作用时的流场变化,同时利用测力传感器测量潜体所受水平与垂向力的变化,分析入射波振幅以及潜体潜深变化对作用力的影响情况。研究表明:内孤立波诱导流场的整体特征表现为,在上下两层流体中形成强烈的水平剪切流,上层流速大于下层流速且方向相反,在波前后分别形成下沉与上升流动;潜体所受水平力主要由内孤立波诱导流场决定,而垂向力则由密度场与流场变化的耦合作用决定;在横置细长体遭遇内孤立波过程中,其后部产生的涡旋结构导致高密度流体团的滞留继而逐渐扩散,它是决定沿内孤立波传播方向横置与平行放置细长潜体时两者垂向作用力差异的重要原因。     

直墙前直立圆柱纵荡问题的研究

应用镜像原理，将直墙前单个圆柱的纵荡问题转化为双柱在静水中的相向振荡问题，应用速度势的特征展开法，建立了直墙前垂直圆柱纵荡问题的解析解。通过数值计算研究了圆柱与直墙间距离大小、水深等因素对附加质量和辐射阻尼的影响。计算结果表明，直墙前圆柱上的附加质量和辐射阻尼明显不同于开敞水域中单柱纵荡的情况，且随着波数的变化发生振荡。     

非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。     

P-SV波斜入射时有阻尼成层介质自由波场的一维化时域算法

为了研究土层介质阻尼对自由波场计算的影响,在一维化时域算法基础上,采用有限差分方法,推导建立了考虑阻尼影响的水平成层弹性介质平面内自由波场求解的显式的数值逐步法公式,并采用MATLAB程序语言编制了相应的数值计算程序,进行平面内P-SV波斜入射情形下均匀弹性土层的算例分析。结果表明:阻尼对水平成层弹性介质平面内的自由波场有着重要的影响,与无阻尼均匀土层相比,P波斜入射下有阻尼均匀土层的水平和竖向位移幅值分别可减小53.1%和26.5%,SV波斜入射下水平和竖向位移幅值分别可减小48.2%和31.7%;阻尼使均匀土层自由表面的位移幅值明显减小,而中、下部节点的位移幅值减小相对较小。由此可见,土层介质阻尼对成层半空间平面内自由波场一维化计算的影响不可忽视。     

THE RADIATION AND DIFFRACTION OF WATER WAVES BY A BOTTOM-MOUNTED CIRCULAR CYLINDER IN A TWO-LAYER FLUID

An analytical method was proposed to analyze the radiation and diffraction of water waves by a bottom-mounted circular cylinder in a two-layer fluid. Analytical expressions for added mass and damping coefficients, as well as the wave excitation forces of the circular cylinder were obtained by an eigenfunction expansion method. The hydrodynamic forces on the bottom-mounted circular cylinder in a two-layer fluid include not only the added mass and damping coefficients, but also the wave forces of the surface and internal-wave modes. This is different from the case of a homogenous fluid. Some examples were given, showing that density stratification can have a relative large effect on these hydrodynamic forces over a wide range of frequencies.     

双圆柱的入水参数对水作用力的影响

为了分析多圆柱入水的各个状态参数对圆柱所受水作用力的影响,本文采用了CFD方法对双圆柱同步常速入水这一物理过程进行了动态数值模拟。采用变密度的不可压缩Euler方程作为控制方程,通过求解密度域的接触间断来追踪自由液面。基于直角切割网格系统,采用Roe型的Upwind格式的有限体积法作数值离散。采用双时间推进法和人工压缩法来进行时域步进。相对单圆柱入水的受力而言,本文对双圆柱相互作用所引起的附加水作用力,采用数值拟合的方法,提出了简单的代数表达式。然后分别以双圆柱的半径、间距和入水速度作为状态参数,定量地分析了这些参数对附加水作用力的影响,综合构造出可用于任意双圆柱同步入水模型的附加水作用力的估算表达式。本文的思想方法也可用在多柱状体的工程结构的入水分析中。     

Numerical study of hydrodynamic behavior and conversion efficiency of a two-buoy wave energy converter

In this paper we propose a two-buoy wave energy converter composed of a heaving semi-submerged cylindrical buoy, a fixed submerged cylindrical buoy and a power take-off(PTO) system, and investigate the effect of the fixed submerged buoy on the hydrodynamics of the heaving semi-submerged buoy based on the three-dimensional potential theory. And the dynamic response of the semi-submerged buoy and the wave energy conversion efficiency of the converter are analyzed. The difference of the hydrodynamics and the wave energy conversion efficiency of a semi-submerged buoy converter with and without a fixed submerged buoy is discussed. It is revealed that the influence of the fixed submerged buoy on the exciting wave force, the added mass, the radiation damping coefficient and the wave energy conversion efficiency can be significant with a considerable variation, depending on the vertical distance between the heaving semi-submerged buoy and the fixed submerged buoy, the diameter ratio of the fixed submerged buoy to the heaving semi-submerged buoy and the water depth.     

非淹没双直立圆柱系统波浪爬升的数值模拟

波浪爬升是近海构筑物和海洋平台结构设计中的重要参数。全面掌握波浪的爬升特性有利于结构的安全保证和优化。采用有限元方法建立了求解Berkhoff缓坡方程的数值模型，并计算了非淹没单个直立圆柱周围的波高分布，计算结果与解析解吻合很好。以非淹没双直立圆柱为研究对象，探讨了圆柱间距对波浪爬升的影响。结果表明:上游圆柱周围的波高分布曲线波动较大，但最大相对波高和最小相对波高的发生位置基本与单个圆柱的情况相同；当圆柱间距为1/4波长的奇数倍时，最小相对波高明显减小，圆柱肩部出现第二峰值；而当圆柱间距为1/4波长的偶数倍时，最小相对波高则明显增加，圆柱肩部出现第二谷值。下游圆柱周围的波高分布曲线与单个圆柱的情况相似，但波高相对较小。     

Finite element analysis of second order wave radiation by a group of cylinders in the time domain

A finite element based numerical method is employed to analyze the wave radiation by multiple or a group of cylinders in the time domain. The nonlinear free surface and body surface boundary conditions are satisfied based on the perturbation method up to the second order. The first- and second-order velocity potential problems at each time step are solved through a Finite Element Method (FEM). The matrix equation of the FEM is solved through iteration and the initial solution is obtained from the result at the previous time step. The three-dimensional (3-D) mesh required is generated based on a two-dimensional (2-D) hybrid mesh on a horizontal plane and its extension in the vertical direction. The hybrid mesh is generated by combining an unstructured grid away from cylinders and two structured grids near the cylinder and the artificial boundary. The fluid velocity on the free surface and the cylinder surface are calculated by using a differential method. Results for various configurations including the cases of two cylinders and four cylinders and a group of eighteen cylinders are obtained to show the joint influences of cylinders on the first- and second-order waves and forces, including the effects of spacing ratios and wave frequency on the second order waves and the mean force, in particular.     

二维翼型非定常运动数值模拟

本文应用商业软件FLUENT进行数值模拟。首先将静止圆柱和旋转振荡圆柱绕流的计算结果与文献[18]进行了比较,接着对典型二维翼型沉浮振荡的计算结果与实验图像进行了比较,以此验证了用Fluent软件计算非定常运动的可靠性。在此基础上,本文对二维翼型沉浮、俯仰以及沉浮/俯仰联合运动这三种方式分别进行了模拟,分析了不同参数如振幅、频率、沉浮和俯仰之间的相位差的影响。得出一些有意义的结论和新的现象。     

SLOW DRIFT DAMPING FORCE ACTING ON A CYLINDER IN WAVES

ＳＬＯＷＤＲＩＦＴＤＡＭＰＩＮＧＦＯＲＣＥＡＣＴＩＮＧＯＮＡＣＹＬＩＮＤＥＲＩＮＷＡＶＥＳ￥ＨｕＣｈａｎｇ－ｈｏｎｇ（ＫｙｕｓｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｋａｓｕｇａ，Ｊａｐａｎ）ＬｉｕＹｉｎ－ｚｈｏｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓ...