基于泰勒展开边界元法的深水浮体二阶平均漂移力计算

为了消除传统低阶面元法计算非光滑边界单元处的切向诱导速度精度低的缺点,提出了一阶泰勒展开边界元方法。对边界积分方程中偶极强度在单元内进行泰勒展开,保留一阶导数项,并对边界场点求2个正交方向的切向导数来封闭方程组,从而可同时求解单元中的速度势及其切向速度。数值计算表明,该方法可提高浮体边界拐角处切向速度和水线处波面爬高的计算精度,进而保证浮体二阶平均波浪漂移力的计算精度和收敛性。     

FPSO型采油平台波浪漂移力的分析研究

波浪平均漂移力是指由于波浪的一阶运动产生的二阶波浪力.对于系留状态的船型采油平台FPSO系统,不同波向波浪作用下、FPSO系统所受到的纵荡、横荡以及首摇方向的波浪平均漂移力是设计其锚泊系统的重要依据.为了计算FPSO系统一阶波浪辐射和绕射问题,采用高阶边界元方法并考虑FPSO形状的对称性;波浪平均漂移力则运用近场解法在湿表面上直接进行压力积分获得.与常数单元方法相比,该方法具有很高的精度,特别是对于高频波浪能得到可靠的收敛解.     

基于泰勒展开边界元方法的某半潜式平台水动力计算分析

为了研究一阶泰勒展开边界元方法对半潜式平台的水动力性能以及运动响应的预报精度,将其计算结果与商业软件AQWA的计算结果进行比较。在试验结果的基础上,通过对两种计算方法结果的比较分析,表明一阶泰勒展开边界元方法计算结果与AQWA的计算结果吻合较好,而且一阶泰勒展开边界元方法有着较好的收敛速度,可用于半潜式平台水动力分析,本文工作也为该类平台的水动力响应分析提供了参考。     

势粘流单向耦合的直立圆柱波浪爬升模拟

针对单固定直立圆柱的波浪爬升问题,本文采用势粘流单向耦合技术对波浪爬升过程中波面高度与圆柱水平、垂向波浪力进行了数值预报。采用STAR-CCM+求解器对数值结果进行了网格收敛性分析,研究了圆柱壁面附近的网格参数。通过比较不同波陡波浪下的波浪爬升高度,一、二阶波面在圆柱周围的空间分布,以及流场绕射演化过程图,分析了非线性波浪绕射的特征;比较了不同波况下波浪爬升过程中圆柱体受力。结果表明:在波陡为1/10的强非线工况下迎浪位置的波面最大值可达到2倍的波幅。短波下圆柱周围波面的二阶效应明显,而长波下二阶量接近于零。本文采用的势粘流单向耦合方法对于波面和波浪力的预报结果与试验吻合良好,并且计算所需要的网格数要小于计算流体力学方法。     

改进螺旋桨敞水性能预报的泰勒展开边界元法

为了提高螺旋桨叶敞水压力分布预报精度,本文利用基于源偶混合分布的常值面元法以及零阶和一阶泰勒展开边界元法预报船舶螺旋桨的定常水动力性能。对于常值面元法,使用Yanagizawa发展的插值方法求得物体表面上的速度分布;零阶泰勒展开边界元法通过直接求解速度势并对格林公式诱导获得速度分布;一阶泰勒展开边界元法则将诱导速度作为未知量直接求解。用3种方法预报了普通桨和侧倾桨的敞水性能以及螺旋桨盘面压力分布情况,数值结果表明零阶和一阶泰勒展开边界元法精度较高,改进了螺旋桨扭矩预报精度;同时一阶泰勒展开边界元法有效降低了导边及随边处压力分布预报的误差。     

计算重力异常垂向二阶导数的DCT法——模型实验

基于离散余弦变换（DCT,Discrete Cosine Transform）的重力异常垂向二阶导数的计算方法,是笔者提出的新方法。以无限长水平圆柱体为例研究了DCT法的计算规律,模型实验证实,该法计算的无限长水平圆柱体重力异常垂向二阶导数的精度与采样间隔、剩余密度及圆柱体半径大小无关,与圆柱体轴心埋藏深度成正比。通过分析给出了基于DCT的合适的线性滤波方式,滤波后的重力异常垂向二阶导数与理论二阶导数拟合效果好,具有较高的计算精度。     

二阶波浪力下6 MW单柱浮式风力机动态响应分析

为了实现在中等深度海域浮式风力发电机的规模应用,解决能源短缺问题,针对设计出的新型6MW海上单柱浮式风力机的生存能力进行探讨,利用Sesam软件获取二阶波浪力计算时所需的wamit文件,利用气-液-固-弹性数值软件FAST对该浮式风力发电机进行时域耦合运动响应仿真模拟.分别就不同浪向下平台各自由度的运动响应、二阶平均波浪力和二阶慢漂波浪力对平台各自由度运动响应的影!响、二阶平均波浪力和二阶慢漂波浪力对锚链张力和机舱的影响进行了研究.结果表明:首摇运动随浪向角增大而增大,而波浪入射角对其他各自由度运动影响较小;二阶慢漂力对垂荡运动影响显著,且易激发较大的纵摇运动响应,并诱发较大的锚链张力;采用delta-line的系泊系统能够避免产生过大的首摇响应,且系泊系统的最大张力远在破断张力以下,整个风力机系统在恶劣海况下具有良好的生存能力.     

泰勒展开边界元法的船舶兴波阻力计算

针对分布源方法求解船舶定常兴波时需将自由面配置点前移的问题,本文基于一阶泰勒展开边界元方法构造边界积分方程。利用定常兴波势一阶导数直接求解,克服了分布源方法中定常兴波势一阶、二阶导数均需差分,构造边界积分方程复杂的问题。分别计算了Wigley船型以及S60船型的兴波阻力,给出了不同船型的波面等高线图,船侧波形图。计算结果与已发表的数值结果和试验数据吻合较好。本文方法无需对自由面配置点前移,避免配置点移动距离对数值结果的人为影响,改进了数值模拟方法的鲁棒性。     

结构优化中的海森矩阵的近似迭代方法

为了避免在结构优化中近似计算目标函数和约束函数的二阶泰勒展开式时计算海森矩阵,提出了只计算函数的一阶导数项计算海森矩阵逆的方法(DFP方法),这种方法省去了计算函数的二阶导数矩阵和求矩阵的逆的过程.通过对悬臂板结构的优化计算表明,该方法对结构优化问题是有效的.     

结构优化中的海森矩阵的近似迭代方法

为了避免在结构优化中近似计算目标函数和约束函数的二阶泰勒展开式时计算海森矩阵,提出了只计算函数的一阶导数项计算海森矩阵逆的方法(DFP方法),这种方法省去了计算函数的二阶导数矩阵和求矩阵的逆的过程。通过对悬臂板结构的优化计算表明,该方法对结构优化问题是有效的。     

孤立波与带有窄缝结构作用的数值模拟研究

针对孤立波式极值波浪与带有窄缝两结构相互作用问题,采用活塞推板造波法以及时域高阶边界元方法建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表的数值与实验结果对比,验证了所建模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了窄缝及结构尺寸对迎浪侧波浪爬高,窄缝内波面升高,背浪侧透射浪高以及箱体所受波浪荷载的影响规律。     

二阶二次矩可靠性指标

在一阶可靠性方法的理论基础上 ,提出了二阶二次可靠性指标的计算方法 .该方法考虑了结构功能函数在设计验算点处泰勒级数展开的二次项 ,通过在标准正态空间中的旋转变换 ,去掉了泰勒级数二次展开项中各变量的耦合项 ,将结构功能函数变为单纯的二次项形式 .然后利用一次二阶矩方法算得的可靠性指标 ,并结合结构功能函数在设计验算点处的主曲率 ,给出了二阶二次矩可靠性指标的计算公式 .算例表明 ,该方法不仅不用求解结构功能函数二阶偏导矩阵的特征值和特征向量 ,计算过程简便合理 ,而且具有较高的精度 ,适合工程应用     

遗传算法在海上多浮体波漂移力优化中的应用

针对海上浮式结构物的防护问题,考虑利用实数编码的遗传算法对结构物的尺寸参数和迎浪角进行优化,以降低海上结构物的波漂移力。对于浮式结构物的波漂移力计算,本文基于波浪交互理论和高阶边界元方法建立了三维多浮体水动力数值分析模型。计算结果表明:利用优化的尺寸参数和迎浪角,不仅可以有效降低整个浮体群的波漂移力,也可以有效减小每个浮体的波漂移力。同时,优化后的浮体周围波面得到了明显改善,从而降低了甲板砰击和上浪发生的可能性。研究发现,浮体波漂移力的减小与其迎浪侧和背浪侧的波高分布密切相关。     

遗传算法在海上多浮体波漂移力优化中的应用

针对海上浮式结构物的防护问题,考虑利用实数编码的遗传算法对结构物的尺寸参数和迎浪角进行优化,以降低海上结构物的波漂移力。对于浮式结构物的波漂移力计算,本文基于波浪交互理论和高阶边界元方法建立了三维多浮体水动力数值分析模型。计算结果表明:利用优化的尺寸参数和迎浪角,不仅可以有效降低整个浮体群的波漂移力,也可以有效减小每个浮体的波漂移力。同时,优化后的浮体周围波面得到了明显改善,从而降低了甲板砰击和上浪发生的可能性。研究发现,浮体波漂移力的减小与其迎浪侧和背浪侧的波高分布密切相关。     

高桩承台桩基波浪受力分析

以深海桥梁建设中广泛采用的群桩基础为研究对象,发展了淹没承台下桩柱波浪作用力的工程计算方法。分析了承台效应系数随淹没深度、承台尺寸等参数的变化规律,并在时域内计算了波浪对桩柱的作用。承台与波浪的绕射问题采用基于势流理论和特征函数展开的解析法,绕射场内桩柱波浪力的计算采用M o riso n公式,通过与数值模拟的计算结果进行对比,验证了该方法的正确性。结果表明：不同的承台尺寸会使承台效应系数随浸入深度的变化有所改变。合力将随入射波数的增加而减小,合力点的变化将在特定波数下出现拐点。桩柱上波浪合力的最小值出现于承台迎浪一侧,最大值出现于承台背浪一侧及垂直于入射方向的承台两侧与背浪侧30°角范围内。承台的存在使得桩柱上的波向力出现偏向性并产生相位差,此时的群桩系数可取为0．7。     

适合极端深水的双层高阶Boussinesq水波方程

为精确描述深水强非线性波浪运动,本文推导了适用于极端水深、具有高精度色散和非线性特征的双层Boussinesq水波方程。首先把流体虚拟地划分为上下两层,对上下两层的速度势分别在静水面处和交界面处沿水深做泰勒展开,任一点速度可用此两处速度表达;其次在两层流体的中间水深位置上选择速度变量,进一步用两个计算水平速度矢量和两个垂向速度分量取代它们,依此速度表达流场内任一水深处的速度;最后结合自由表面的运动学方程和动力学方程、交界面上速度相等以及海底边界条件,推导了双层高阶Boussinesq水波方程。对该方程进行傅立叶分析,方程色散关系式为Padé(18,20),当分层位置为0.12倍静水深时,该方程具有非常优良的线性和非线性性能。在1%误差下,相速度适用水深可达kh=210,沿水深的速度剖面分布最大适用水深可达kh=114,二阶和差频最大适用水深可达kh=103。     

不规则波中浮式平台波漂力及运动计算研究

为研究分析系泊浮式生产储油平台波浪漂移力计算精度和耦合运动时域模拟的方法，本文使用自主开发的一阶泰勒展开边界元方法对某浮式生产储油平台在压载工况下的频域波浪漂移力进行了计算，并与商业软件AQWA、WAMIT计算的漂移力结果作对比分析。在频域计算的基础上，使用基于异步耦合方法开发的系泊浮体耦合运动分析程序对浮式生产储油平台在多个不规则波海况下的非线性运动响应进行时域模拟，并与模型试验测试结果作对比，分析了数值模拟精度。从结果显示可知计算结果吻合较好，即使是更为复杂的海况，在海浪和海流同向的情况下，异步耦合分析程序也能获得与模型试验较为一致的结果。     

波浪能装置弹性系泊系统抗台风的设计与研究

针对波浪能装置的抗台风系泊问题,以鹰式三号波浪能装置为对象开展波浪能装置的弹性系泊系统抗台风的研究与设计。根据势流理论计算装置的一阶波浪力和二阶波浪力,其中二阶波浪力采用一阶势的压力积分方法求得。在忽略系泊系统低频运动与波频运动的耦合作用下,采用准静态分析方法,将装置的运动分解为平均静力位移、波频振荡运动和低频振动的叠加。根据鹰式三号波浪能装置实现对应主浪向的要求采用分布式系泊方式分别设计了4种方案,并通过模拟计算,最终选择最优的可行性方案。结果表明:在系泊线中加入可蓄能的弹性索和沉块浮筒蓄能构建件,可以有效减小系泊载荷峰值和控制结构物漂移半径,减少系泊锚链的使用量。     

全附体潜艇旋臂水池试验及单平面受力研究

为了研究水下航行器在定常回转中的水动力特性及受力运动规律，以潜艇标模SUBOFF AFF-8为研究对象，在浙江大学旋臂水池中进行潜艇操纵性回转试验.介绍潜艇旋臂水池试验的测试技术，包括模型安装、数据测量及六分力天平的标定与校核.获取水平面和垂直面的旋转导数，与泰勒水池的实验值形成对比.结果表明，浙江大学水池与泰勒水池相比，误差小于10%，证明浙江大学旋臂水池对潜艇操纵性试验的测量具有一定的可靠性.在水平面运动中，纵向力和横向力随漂角的变化曲线以0°漂角为分界点左右对称，横摇力矩和偏航力矩随漂角的增大而增大，垂向力和俯仰力矩随漂角的变化近似呈抛物线分布.垂直面运动时，上浮和下潜运动的力和力矩呈对称分布.角速度越大，纵向力越大，在较高的角速度下，不同攻角下的力差值较大.     

规则波浪中舰船操纵运动计算

当船舶在波浪中处于尾斜浪或顺浪航行时,可能出现稳性丧失和横甩等现象,所以船舶在波浪中的操纵性问题已引起人们的关注.目前,关于该问题的大多数研究往往局限在有限的浪向角范围内.本文在船舶静水操纵性基础上,直接迭加高频的波浪力,建立一个波浪中高频运动响应的操纵性预报方法.用二维Frank源汇分布法计算船舶随摇荡频率变化的附加质量———波浪的辐射力,以及规则波浪的扰动力———Froud Krylov力,在六自由度运动方程上直接迭加所计算的波浪力,并引用静水操纵中船、桨、舵水动力的计算模型,建立了规则波浪中船舶操纵运动预报模型,并数值计算了一条高速方尾船舶在不同规则波浪的波长、波高和浪向角下的操纵舵回转运动和Z形操纵舵运动,附加质量和波浪扰动力根据运动中的遭遇频率和浪向角确定.数值计算的回转角速度、横倾角和纵倾角的变化规律与文献中单桨单舵船模试验有着相似结果.