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。     

多浮体群遮效应的CFD模拟与分析

为了研究基于群遮效应的被多浮体环绕的中心浮体保护问题,本文利用粘流理论建立了多浮体水动力计算的数值模型。数值模拟了多浮体间的群遮效应,验证了群遮效应对中心浮体的保护作用,并进一步分析了浮体周围波面分布与波浪载荷变化的对应关系。结果表明:考虑粘性的数值模型可准确地模拟群遮效应;通过合理选取外围浮体群的几何参数,中心浮体的波漂移力可以得到显著降低;中心浮体波漂移力的大小与浮体迎浪、背浪侧间波面抬高的差值密切相关。     

群遮效应对海上结构物波漂移力的低减作用

针对波浪作用下海上浮式建筑物的波漂移力问题,考虑在海上建筑物周围合理地布设小型浮体群以降低海上建筑物的波漂移力。本文基于波浪交互理论和高阶边界元方法,建立了分析三维多浮体间群遮效应的数值模型。计算结果表明:通过优化外围浮体的尺寸可以降低海上建筑物的波漂移力;本数值模型计入了浮体间的波浪相互干涉作用,对群遮效应的预报更加准确和接近工程实际问题。随着入射波频率的不同,发生群遮效应所对应的外围浮体尺寸不同;群遮效应不仅可以降低所需防护海上建筑物的波漂移力,也可以降低整个浮体群的波漂移力。     

侧立孔板对浮体波浪散射及波浪力的影响机理

为了探究侧立孔板对浮体波浪特性的影响,基于二维势流理论,利用分离变量法和函数正交特性,针对带有侧立透水孔板的浮式结构物,以解析解的形式建立了该浮式结构物水动力分析的无量纲理论计算模型。给出了纵荡、垂荡和纵摇三个方向上浮体所受波浪力随入射波变化的曲线,分析了波浪反射系数和透射系数随波长变化的变化趋势,计算结果与现有研究成果吻合良好。研究结果表明:侧立透水孔板能够显著降低浮式结构物在纵摇方向上受到的波浪力矩,这对维持浮式平台的稳定性具有重要意义;侧立透水孔板还可以在一定的波长范围内减小波浪透射系数和提高波浪反射系数。     

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。     

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。     

不同浪向下LNGC旁靠FLNG作业时水动力干扰分析

液化天然气运输船(LNGC)旁靠浮式液化天然气生产系统(FLNG)卸载作业时,两船体之间会产生明显的相互水动力干扰。由于单点系泊的风标效应,目前大多数研究针对迎浪条件下水动力分析.在实际环境中,斜浪对两船运动的影响不可忽视.为此,利用理论分析和模型试验相结合,基于三维势流理论和在两船间自由液面添加人工阻尼的方法,对迎浪和斜浪条件下间隙水体的共振现象和两船的一阶水动力性能进行研究.并采用中场法计算两船的二阶水动力参数,揭示浪向对FLNG和LNGC平均漂移力的影响.结果表明:浪向的变化在一定角度范围内不影响自由面阻尼的取值,但是对间隙水体的共振模态和幅值有影响.浪向的改变影响两船间的遮蔽效应,使得FLNG对LNGC在斜浪下的运动响应产生显著的抑制作用.同时,不同浪向下两船平均漂移力的主要成分也发生变化.     

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。     

斜浪群波中船舶复原力和参数横摇研究

为研究斜浪群波中船舶参数横摇及其与复原力变化的关系,基于切片理论,计算了船舶无横倾时在斜浪群波中时间序列垂荡和纵摇运动,确定出波面与船体的相对位置.利用3个坐标系之间的转换关系,求解斜浪群波中船体各横剖面左右舷与波面的交点,确定各浸水剖面瞬时湿面积.基于规则波中复原力计算公式,提出了Froude-Krylov假说下的群波中复原力计算方法.同时,利用作用在横倾船舶上的辐射力和绕射力,求出斜浪群波中船舶复原力之辐射力和绕射力部分.在复原力计算的基础上,确定一个参数横摇模型,实现斜浪群波中参数横摇计算.以一艘集装箱船为例,研究了斜浪群波中复原力变化以及参数横摇规律,结果表明斜浪群波中会发生参数横摇现象,且复原力变化幅度是影响参数横摇预报的一个重要因素.     

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。     

迎浪随机波中C11集装箱船参数激励横摇对应波群特性分析

针对迎浪随机波中集装箱船的参数激励横摇问题,本文主要研究船舶遭遇到的波浪条件与船舶参数激励横摇状态的相关性。基于C11集装箱船迎浪不规则波参数激励横摇实验,通过横摇幅值定义船舶发生显著参数激励横摇的时间段,然后通过波群方法分析船舶在横摇筛选段附近遭遇特征波群的特性。研究结果表明：船舶遭遇特征波群参数与船舶参数激励横摇的剧烈程度有较强的相关性,船舶遭遇特征波群数量和连长个数是船舶参数横摇剧烈程度的重要影响因素。     

海上超大型浮体的水弹性响应预报

针对超大型浮体结构物这一国际海洋工程领域的热点研究,以超大型浮体结构物在波浪中的水弹性响应为研究目的,在薄板理论以及线性势流理论基础上,结合特征函数展开法和模态函数展开法预报浮体的水弹性响应,计算了结构的变形和弯矩分布,分析了不同环境参数对超大型浮体水弹性响应的影响,并对超大型浮体水弹性响应问题求解中的几种常用模态函数进行了比较。丰富了关于超大型浮体的水弹性响应研究。     

含透空结构浮体的微幅振荡辐射特性

基于线性势流理论以及porous-wavemaker理论,针对带有侧立透空薄板、在三自由度（纵荡、垂荡和横摇）内作微幅运动的浮式结构物的波浪辐射问题,利用分离变量法以及边界匹配特征函数展开方法,以解析解的形式,建立该波浪辐射问题的二维无因次理论解析计算模型,得到各流体子区域内速度势函数以及该浮式结构物的无因次附加质量和辐射阻尼系数. 分析在不同的透空薄板透水系数下,该浮体的附加质量和辐射阻尼随无因次波长的变化趋势. 将部分解析计算结果与现有研究成果进行对比分析,一致性较好,验证了针对该问题提出的解析计算模型的正确性. 研究结果表明,在低频范围内,透水薄板的透水系数对该浮式结构物的水动力系数的影响较明显;随着透水能力的增大,该浮式结构物的水动力系数呈现出减小的趋势,这对改善浮式结构物的稳定性具有重要意义.     

船舶随浪中参数激励非线性随机横摇运动计算

研究了船舶随浪中大幅参数激励随机非线性横摇运动的计算方法,将船舶稳性高度GM作为时变的随机参数激励,建立了船舶随机随浪航行情况的参数激励横摇运动微分方程,方程中的三次阻尼项根据自由横摇船模实验数据求出.参数激励项的求解考虑了船体纵摇、升沉及波浪运动对稳性高度变化的影响.在有义波高分别为10 m和12 m的2种不同随机波作用下,考虑初始横摇角为3°以及定常风作用下发生5°永倾角,计算出随机参数激励下船舶的时域横摇运动响应.计算结果表明此方法可以用于计算随机随浪中船舶的参数激励横摇运动,同时显示了随机随浪对船舶横摇和倾覆的重要影响.     

波浪能发电装置浮体形状参数对俘能性能影响

为明确振荡浮子式波浪能装置浮体形状参数对俘能性能与工作稳定性的影响, 建立线性能量输出系统作用下的浮体频域计算模型, 推导俘能功率与俘能宽度比的计算公式, 介绍浮体频域数值模拟步骤, 运用ANSYS-AQWA软件开展研究, 计算并对比不同底面形状和圆台半顶角下浮体的俘能功率与俘能宽度比, 探讨浮体形状参数对其俘能性能的影响规律, 为适用于锚泊浮台的波浪能供电装置浮体形状参数优化提供理论基础。研究结果表明:相对于圆锥和圆球底面, 圆台底面的实际制作可行性高, 且在中频波段的俘能性能与俘能稳定性均优于一般圆柱浮体; 上大下小型圆台浮体的俘能性能和工作稳定性较好, 半顶角增加时, 浮体的俘能性能增加且可改善浮体的中频俘能性能, 可根据工作波况合理选择最佳的半顶角, 使得浮体具有最佳的俘能性能与工作稳定性。     

双箱体间窄缝水体共振的形线约束插值法求解

针对波浪与存在窄缝的两箱体的相互作用问题,本文基于约束插值剖面(CIP)方法,建立了二维强非线性不可压缩粘性流数值波浪水槽。在验证了该数值水槽模型的造波性能后,对不同入射频率波浪作用下的窄缝处的波面抬高、浮体所受的波浪力进行了计算和分析,并详细对比分析了共振频率与非共振频率处的流场分布及浮体受力的不同。实验结果表明:本CIP粘流模型可以较为精确地计算两箱体间窄缝处的水动力共振现象。两箱体受到的水平力大于垂向力,而在共振发生时水平力的急剧增大是由于窄缝中液面的急剧抬升从而造成浮体两侧的液面差较大造成的。     

波浪对结构物的冲击作用的数值模拟

通过无反射数值波浪水槽研究了周期波浪对浪溅区结构物的冲击作用。控制方程为雷诺时均方程,采用k-ε紊流模型及在近壁区应用壁函数。建立了适合VOF方法的水体与结构物接触与分离的数值边界条件及动量方程的对流项采用了三了介迎风差分格式以消除数值粘性的影响。通过对不同波浪参数、结构物尺度、结构物与静水面的距离等情形的数值计算成果的比较分析,得到了波浪对结构物底面的冲击压力分布特征,讨论了结构物离开水面的距离S等参数对波浪冲击压力的影响,通过数模得到了波浪对位于浪溅区结构物底面的波浪冲击压力幅值及沿底面分布的定量结果。     

T型透空式防波的堤水动力特性

为了探究T型透空式防波堤的水动力特性,本文采用匹配特征函数展开法对线性波作用下的流场进行求解,并得出波浪荷载及反、透射系数。针对结构物尖角附近流体运动的奇异性行为,分别引入特定正交多项式将区域间公共界面上的速度分布函数近似展开。通过研究水面方箱,对比实验结果与T型结构的数模结果,验证方法的正确性,并综合分析T型结构各几何参数的影响。计算结果表明:水平板尺寸对波浪荷载及反、透射系数均有显著影响;增大垂向薄板长度能有效减少波浪透射;垂向薄板从水平板中部向两侧移动时,波浪透射系数略有减小,但结构物所受波浪荷载变化较大。垂直薄板的存在,能有效提升透空式防波堤的消波性能,进而减少工程造价。     

应用CIP粘流模型求解两箱体间窄缝的水动力共振

针对波浪与存在窄缝的两箱体的相互作用问题,本文基于CIP(Constrained Interpolation Profile)方法,建立了二维强非线性不可压缩粘性流数值波浪水槽.在验证了该数值水槽模型的造波性能后,对不同入射频率波浪作用下的窄缝处的波面抬高、浮体所受的波浪力进行了计算和分析,并详细对比分析了共振频率与非共振频率处的流场分布及浮体受力的不同.将所得到的结果同已发表的实验结果、数值结果进行了对比,结果表明:本CIP粘流模型可以较为精确地计算两箱体间窄缝处的水动力共振现象.两箱体受到的水平力大于垂向力,而在共振发生时水平力的急剧增大是由于窄缝中液面的急剧抬升从而造成浮体两侧的液面差较大造成的.     

应用CIP粘流模型求解两箱体间窄缝的水动力共振

针对波浪与存在窄缝的两箱体的相互作用问题,本文基于CIP(Constrained Interpolation Profile)方法,建立了二维强非线性不可压缩粘性流数值波浪水槽.在验证了该数值水槽模型的造波性能后,对不同入射频率波浪作用下的窄缝处的波面抬高、浮体所受的波浪力进行了计算和分析,并详细对比分析了共振频率与非共振频率处的流场分布及浮体受力的不同.将所得到的结果同已发表的实验结果、数值结果进行了对比,结果表明:本CIP粘流模型可以较为精确地计算两箱体间窄缝处的水动力共振现象.两箱体受到的水平力大于垂向力,而在共振发生时水平力的急剧增大是由于窄缝中液面的急剧抬升从而造成浮体两侧的液面差较大造成的.