五体船侧体布局对纵向运动性能的影响

针对五体船前后侧体的不同位置，分析了侧体布局对五体船纵向运动的影响.采用Rankine面元法计算了五体船在规则波中前后侧体12种布置方案下的纵向运动响应RAO，分析了前后侧体纵向、垂向位置变化对船体运动的影响规律.考虑非线性因素，在非规则波中计算了五体船运动响应时历，比较了高、低航速时侧体位置变化对运动响应有义值的影响特点.分析结果表明：五体船前后侧体布局对运动的影响与航速密切相关，后侧体在低航速时靠近船中布置、高航速时靠近船尾布置更有利于减小船体垂荡运动；通过降低前侧体垂向高度和靠近船首布置有利于减小五体船垂荡和纵摇运动.     

基于黏性等效的船舶顶浪运动降阶预报方法

针对势流预报方法速度快但精度受黏性影响显著、黏流预报方法精度高但计算效率较低的问题,提出一种基于黏性等效的耐波性预报降阶预报方法．该方法首先基于一种强迫放大运动,快速获取船舶阻尼随运动幅度变化的特性;再根据黏性等效原则和船舶运动状态,对无黏耐波性预报模型的阻尼进行实时修正．为验证该方法的有效性,以DTMB 5415船模为研究对象,开展了顶浪环境下的水池模型试验．结果表明：该方法预报的纵摇运动响应误差低于6.2%,垂荡运动响应误差低于15.6%;在仿真时间方面,该方法预报效率比传统黏流模型高出10倍以上．     

规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析

采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性。其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式。采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较。两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性。进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性。     

一种基于计算流体力学的三维船舶横摇阻尼预报方法

针对三维船体强迫振荡运动,以黏性流理论为基础,通过求解雷诺平均纳维 斯托克斯(Reynolds averaged Navier Stokes,RANS)方程,计及自由面影响情况,对S60船在有航速和无航速时不同幅值的横摇运动进行了数值模拟.分析计算了三维船模的横摇阻尼系数,研究了横摇幅值和航速对横摇阻尼的影响,并与试验值和势流计算值进行了比较.结果表明,数值模拟能够显现出船体流场非线性特征以及黏性的影响,横摇阻尼系数与试验值吻合良好,较势流方法预报更为准确,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能分析研究.     

传统Spar平台垂荡-纵摇耦合内共振响应

本文中研究规则波浪下经典Spar平台垂荡-纵摇耦合运动内共振动力特性．考虑垂荡频率与纵摇频率的2：1的内共振关系,在无系泊状态下建立了平台非线性耦合运动微分方程．应用MOSES软件建立了平台模型,计算了不同波浪周期下的一阶波浪激励力．采用多尺度方法求解垂荡-纵摇耦合运动响应的定常解并进行数值验证．计算结果表明,当波浪频率接近垂荡固有频率且波高达到某一极限时,平台垂荡运动的能量达到饱和;当波高继续增加时,垂荡能量开始向纵摇运动转移,导致平台发生大幅纵摇运动．     

带航速三体渡驳水动力特性频域分析

为了研究带航速三体渡驳在波浪中航行时的水动力特性,以及航速和环境因素对其幅值响应算子的影响,根据势流理论和波浪辐射/衍射理论分析了有航速三体渡驳的波浪激励力及水动力系数,进而利用AQWA求解了三体渡驳的幅值响应算子,得到了不同航速、水深及遭遇浪向条件下三体渡驳各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。计算结果表明:航速越大纵荡幅值越小、纵摇峰值越大,水深越浅垂荡幅值越小、纵摇峰值频率越低,当水深吃水比大于20后即可按照无限水深来计算其幅值响应算子;遭遇浪向对各自由度RAOs均有较大影响,其中艏斜浪或迎浪航行对三体渡驳的运动较为有利。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

浮式液化天然气系统液体装载船体的耦合响应

开发了一套分析浮式液化天然气(FLNG)系统中船体运动与液舱晃荡耦合响应的数值模拟程序.该程序基于频域势流理论获得船体的频域水动力系数,并根据脉冲响应理论(IRF)实现船体运动的时域计算;基于势流理论采用边界元法进行液舱晃荡的时域预报;通过迭代计算实现运动与晃荡响应的耦合预报.开展模型试验研究固体、液体装载船体在波浪中的运动响应.结合数值计算结果和试验结果研究晃荡和船体运动的耦合机理,讨论了不同液舱布置形式下的耦合响应变化.结果表明:液舱晃荡会显著改变船体的横荡、横摇运动响应,对垂荡运动影响较小;改变液舱宽度可以减小横摇运动引起的晃荡幅值,而横荡激励的晃荡响应主要与晃荡固有频率有关;液舱垂向位置变化仅改变与横摇模态的耦合响应,与横荡运动的耦合作用不变.     

深海几何形单柱式平台的运动分析

基于三维源法和Pinkster近场法分析了几何形单柱式平台(Geometric Spar)的运动特性,计算了其在不同频率下的水动力系数、一阶波浪干扰力(力矩)和二阶波浪慢漂力(力矩)以及一阶运动响应,平台上加装的垂荡板根据Morison公式计算.将理论得到的纵荡、垂荡和纵摇运动的一阶运动响应函数、运动谱以及统计值与相应的试验结果进行了比较,试验中浪向角180°,波浪采用西非的极限波浪.结果表明:理论值与试验结果符合较好;几何形单柱式平台纵摇运动的低频分量不可忽略;平台八角形的截面形状加上垂荡板使得这种柱型平台在深海开采中具有一定的优势.     

漂浮式潮流电站载体水动力性能分析

基于三维势流理论,在频域范围内,采用DNV船级社的SESAM软件系统,对某漂浮式潮流电站进行了水动力性能分析。通过分析,得出了横摇、纵摇、垂荡等响应变量的传递函数;结合载体实际工作时所处的海况,得出响应谱,并对其耐波性进行短期预报。计算结果表明,载体在横浪下垂荡和横摇较剧烈,各个浪向角下纵摇较接近。     

新型沙漏式浮体的垂荡运动响应特性分析

为了解决传统船型和圆柱筒状浮式生产储油系统(FPSO)的性能局限问题,提出一种具有沙漏式浮体的新概念FPSO.以沙漏式浮体的垂荡运动性能为目标,基于频域势流理论计算浮体的水动力参数,考虑浮体垂荡运动黏性阻尼和非线性静水回复刚度,建立浮体的垂荡运动方程.采用龙格-库塔数值迭代算法求解新型FPSO的垂荡运动响应,并且据此分析黏性阻尼和非线性刚度对沙漏型浮体垂荡运动性能的影响,以期为新型沙漏式FPSO的主浮体外形设计提供参考依据和准则.     

基于动力定位系统的沙漏型浮体多自由度耦合运动分析

具有水动力性能优势的新概念沙漏型浮体,由于具有水线面面积和初稳性高较小等特性,其纵摇运动的固有频率与推进器纵向控制力的频率接近,导致浮体水平面和垂直面的运动产生耦合作用,从而引起较大的纵荡和纵摇运动响应.针对此问题,采用基于势流理论的边界元方法计算沙漏型浮体的波浪荷载和水动力参数.结合实际布置推进器产生的控制荷载,建立沙漏型浮体纵荡-垂荡-纵摇耦合运动方程.通过数值模拟和频率响应传递函数,重点讨论沙漏型浮体多自由度运动的相互影响以及推进器附加纵摇力矩引发的问题.最后,将纵摇阻尼和惯性力项加入纵荡控制力中,显著降低了纵荡和纵摇运动响应,很好地满足了定位精度的要求.     

基于AQWA的张力腿平台动力响应分析

为研究极端海况下张力腿平台(TLP)的动力响应性能,对一典型传统式TLP平台进行整体设计,并应用势流理论和波浪的辐射/衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,考虑随机波浪载荷及风、流载荷的共同作用,对平台在极端海况下的动力响应进行了数值模拟分析,计算在多个不同入射角波浪作用下的平台六个自由度上运动的幅值响应算子(RAOs),模拟分析在极端海况P-M波浪谱作用下平台的动力响应和张力腿的运动响应.结果表明:波浪入射角的不同对平台垂荡运动的RAOs没有明显的影响,对另外5个方向运动RAOs的幅值有明显影响;张力腿提供的附加刚度,对平台上体纵、横摇及垂荡响应作用明显,对平台纵、横荡及首摇也有一定的限制作用;平台的动力响应主要由波浪荷载引起;张力腿在平台上体带动及流荷载作用下会产生较大幅度运动.总之,在张力腿的有效约束下TLP平台可以避开能量集中的波浪频率,表现出良好的纵、横摇及垂荡性能,而张力腿的安全和性能将成为平台安全和性能的重要指标.     

平面波作用下浮体的有阻尼强迫振荡研究

采用线性波理论和特征函数展开法,在平面入射波条件下,求解了由于圆柱体作垂向运动(垂荡)时的辐射速度势和圆柱体固定不动的绕射速度势,推导了附加质量、阻尼系数、水波激励力表达式,进一步推导了垂荡运动响应表达式。最后分析了垂荡运动产生共振现象的条件。数学计算表明圆柱体的半径同其浸入深度的比值与圆柱体垂荡运动产生共振现象相关,只有这一比值小于一特定值才会发生共振现象,随着这一比值的减少,共振峰值急剧地增大。     

高速水翼船垂荡与纵摇运动模拟

从受力分析的角度,建立了垂荡和纵摇的数学模型.给出了模型中各个参数的计算方法,尤其是对水翼产生的升力进行了详细地分析.为了验证模型的有效性,基于一艘高速水翼双体船HC200B,使用Matlab的Simulink工具箱进行了仿真研究,给出了在12个航速点的上浮量和纵倾值,以及在设计航速的船体姿态.对比仿真数据和实验数据,包括高速域附近的数据,二者相符得很好,这表明了所提出的模型是合理的.     

张力腿平台局部系泊失效模式下动力响应分析

针对浮体-张力筋腱非线性耦合系统,采用时域分析方法对局部系泊失效下的张力腿平台进行动力响应分析,重点研究两根筋腱失效时筋腱失效位置、波浪载荷参数与平台各自由度动力响应的关系.结果表明:局部系泊失效对平台横荡、纵荡、艏摇自由度的动力响应影响远小于横摇、纵摇、垂荡自由度;失效位置与平台动力响应关系密切,失效筋腱位置越集中,平台响应越大,反之亦然;筋腱失效后平台在不同波浪载荷参数下的运动特性及顶端张力表现各异.垂荡瞬态阶段响应对波高和波周期敏感性较强,垂荡稳态阶段响应对浪向、波高和波周期敏感性较强;纵摇(横摇)瞬态和稳态阶段响应对浪向、波高和波周期敏感性均较强;波浪载荷参数对筋腱顶端张力的影响较小.     

多节漂浮式波能转换装置浮体运动及功率响应

以多节漂浮式波浪能发电装置为研究对象,基于线性波理论和波-体耦合作用分析,利用刚体动力学方程方法,建立圆柱型波能捕获浮筒在波浪中的垂荡-纵荡-纵摇三自由度非线性耦合运动方程.结合中国黄渤海波浪特点,采用频域分析方法,探讨浮筒纵摇运动特性和功率响应.结果显示,浮筒纵摇运动特性主要受浮筒的固有振动频率和浮筒长度的影响;浮筒长度、PTO液压阻尼系数及弹簧劲度系数等因素不会影响浮筒的共振频率,半径和吃水则影响显著,这些因素均对功率响应具有复杂的影响.选择合适的浮筒半径、吃水、弹簧劲度系数等是提高装置的波能转换功率和对中国近海海域适应性的有效途径.     

沉箱上单浮体流体动力学问题的解析方法

在有限常水深、同轴同半径圆柱体沉箱条件下，基于特征函数展开法，推导了垂直放置的圆柱形浮体在水波作用下所受到流体作用力表达式．涉及了浮体做垂荡、纵荡和纵摇运动相关联的辐射势，以及在入射波的作用下由于浮体固定不动而相关联的绕射势．还推导了激励力、附加质量和阻尼系数表达式，采用同平底单浮体运动条件相比和激励力计算的两种方法的方式验证了推导的表达式．最后分析了沉箱高度对浮体运动的特有影响，在算例范围内沉箱的高度对垂荡、纵摇运动的影响较大，对纵荡运动的影响较小．     

圆筒形超深海半潜式钻井储油平台运动特性分析

使用Pro/E软件对SEVAN 650平台和GVA 7500平台建模,将模型导入ANSYS Workbench程序的Hydrodynamic Diffraction模块,计算出2座半潜式钻井平台南海海况风暴自存状态下的运动响应幅值算子,得出2座平台各自的垂荡、横摇和纵摇特性曲线,进而对2座平台南海海况风暴自存状态下的运动特性进行对比分析.结果表明:SEVAN 650圆筒形半潜式平台在原油存储性能和甲板承受可变载荷性能优于GVA 7500平台的前提条件下,其在风暴自存状态时具有比GVA 7500更优的抗倾性能,但SEVAN 650平台在风暴情况下的垂荡响应幅值需要进一步减小.