半潜式波浪能养殖平台与系泊系统的耦合动力分析

以“澎湖号”半潜式波浪能养殖平台为研究对象,开展养殖平台及其系泊系统在浪、流联合作用下水动力性能的研究。基于三维势流理论,应用一阶泰勒展开边界元方法对其频域水动力进行计算,研究不同浪向下平台的运动响应和二阶波浪漂移力。采用间接时域分析方法和异步耦合方法实现平台和系泊系统的时域耦合动力求解,对不同浪流组合工况下平台的时域运动与锚链张力进行分析。研究表明,在南海常规海况中平台稳定性较好,立柱间水动力干扰尤为明显,顺浪时平台所受的二阶波浪漂移力最小。在与系泊系统的耦合作用下,平台的横摇与纵摇运动受入射波浪向的影响较大,入射波波高对顺浪下的平台横摇运动和横浪与斜浪下平台纵摇运动影响明显。     

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。     

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。     

滑行艇规则波中迎浪运动响应的时域解

针对滑行艇耐波性预报必须考虑水动升力影响导致常规方法不适用的问题,采用基于线性长波假设的方法,考虑了瞬时波面对各水动力系数及波浪载荷的影响,给出了棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的时域解.同时,在计算瞬时水动力系数和波浪载荷时也考虑了升力效应.通过简化处理,将其应用于常规滑行艇的运动预报,并通过模型试验结果进行验证,计算值和试验值吻合较好,有较高的实际应用前景.     

三维泰勒展开边界元方法及其数值验证

边界元方法广泛应用于势流问题的求解,其分为常值面元法和高阶面元法两类.研究表明:常值面元法在计算光滑物面处的切向速度时精度较好,而在物面拐角处的切向速度精度则很差;而采用高阶面元法可以改进其精度,但高阶面元法在处理非光滑边界处主值时比较困难.为此该文提出了泰勒展开边界元方法(TEBEM方法).该方法主要通过对边界积分方程中的偶极强度进行泰勒展开并保留至一阶导数项,同时在格林第三公式中关于场点沿边界取切向导数封闭方程组,然后联立方程组直接求解出速度势及其沿物面的切向速度.通过与传统分布源方法的数值计算比较发现,采用TEBEM方法计算非光滑边界处的切向诱导速度的精度有相当大的提高.     

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。     

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。     

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。