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.     

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．     

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.     

系泊型浮体运动的无网格法数值模型

针对系泊型浮体在运动中可能出现的绳索保持绷紧、由绷紧变松弛、保持松弛和由松弛变绷紧等4种状态,基于移动粒子半隐式法基本流固耦合模型,提出了一种刚体运动状态判定机制。对浮体受到绳索牵引而运动受限的情况提出了一种处理方法:按体积分的形式计算流体对浮体的压力、重力和它们的力矩,求解刚体动量方程和转动量方程得到浮体的速度和角速度,浮体因受到绳索作用而径向速度降为零,浮体以切向速度绕绳索固定端旋转。对用单绳系泊的二维浮体在孤立波中的运动进行了数值模拟,捕捉到了上述4种运动状态,可以观测到绳索保持绷紧时绳索与浮体的固连点的轨迹为一段圆弧。同时,浮体在水平、竖直和转动方向3个自由度的运动信息均可以从计算结果中提取研究。数值模拟结果符合物理原理,模型的建立扩展了移动粒子半隐式法的应用范围,为模拟固体运动受限制的流固耦合问题提供了思路。     

柱形地形上单浮体的辐射和散射问题

在有限水深、同轴但半径大于或等于浮体半径的圆柱体障碍物地形条件下，基于特征函数展开法，推导了垂直放置的圆柱形浮体由于波的辐射和散射作用所表现的动力学和运动学特征表达式，涉及浮体做垂荡、横荡和横摇运动所产生的辐射势，以及在入射波的作用下，由于浮体固定不动而产生的散射势，并推导了激励力、附加质量和阻尼系数表达式。采用与同轴、同半径圆柱体障碍物地形上单浮体水动力学特性相比的方式和激励力计算两种方法验证了推导的表达式，最后分析了障碍物几何尺寸对浮体水动力学特性的特有影响。     

系泊多浮体系统波浪运动响应的动力学分析

首先介绍了用势流理论和刚体动力学方程 ,分析系泊单浮体波浪运动响应的频域理论。对于铰联结系泊多浮体系统 ,将其作为铰联结无根树系统 ,用多刚体力学 Huston方法进行了运动学分析。选定广义速率后用其表达出多浮体系统的各种有关运动量。进而使用多刚体力学的 Kane方程 ,并补充以必要的运动学约束关系 ,导出了求解系泊多浮体系统各浮体质心位移和摇荡角位移的动力学方程组。最后归结为可求解各项位移、角位移幅值和相位的复数线性代数方程组。     

新型移动式栈桥码头浮箱拼接方法

采用三维势流理论计算不规则波中移动式栈桥码头拼接时两浮箱的运动响应，其中考虑了多浮体之间相互作用的影响而后计算出两模块上连接器之间的相对运动，最终找到浮箱拼装的最佳状态，为浮箱的拼装作业提供了；住确的依据在理论计算两浮体不规则波浪中相对运动的基础上，使用Visual Fortran编程语言结合OpenGL（open graphics library）图形接口技术，开发了一套两浮体相对运动仿真的软件系统，具有良好的交互性和效果的逼真性．其中，静水波面的绘制采用无限插值理论，并且利用三维势流理论求解波面升高模拟波浪运动．     

铰接多浮体系统在规则波作用下的运动响应

基于线性势流理论,利用模态法在频域内研究了铰接多浮体结构在规则波作用下的运动响应.首先采用边界元法建立边界积分方程求解水动力系数及波浪激振力,然后基于最小势能原理采用拉格朗日乘子法推导出系统的约束矩阵,并利用该约束矩阵建立系统运动方程求解各运动模态的运动响应幅值.通过与已发表的5个铰接漂浮方箱在规则波作用下运动响应结果的对比,证明了方法的正确性和有效性.以3个铰接的箱型浮体为例,讨论了水深、铰接位置对结构运动响应的影响.研究发现水深、铰接位置均会对结构的运动响应产生一定影响,且对于不同的波浪周期其影响程度也不同.     

沉箱上圆柱形浮体的响应和水动力特性分析

文章采用线性波理论和特征函数展开法,推导了带沉箱圆柱形浮体的辐射和绕射速度势解析表达式,并对垂荡运动和水动力垂向分量进行了数值分析;研究表明相对较大的沉箱不仅改变了浮体垂荡运动幅值和水动力垂向分量幅值,而且改变了幅值的变化趋势;相对较小的沉箱对浮体的垂荡运动和水动力垂向分量的影响可以忽略.     

系泊浮体系统非线性运动的模糊随机性因素探讨

对系泊浮体系统的模糊随机性特征进行描述，并推导其模糊运动方程。系泊浮体模糊方程的产生主要基于两方面因素：波浪载荷的模糊随机性和计算方法的模糊性。从这两方面的因素着手，借助模糊统计方法，探讨系统运动的模糊性及模糊方程的求解方法。     

自适应动网格在流体-浮体耦合运动中的应用

为了解决流固耦合问题中物体大幅度运动带来的困难,更精确地计算波形变化和物体的受力,用任意拉格朗日-欧拉方法导出了带自由表面的流固耦合运动计算模型.在计算过程中用动网格方法跟踪浮体的运动,并用自适应网格在自由表面附近进行加密.计算了无粘流体、粘性流体中浮体的运动规律,并与理想弹簧-物体振动模型理论解进行了比较,同时计算了浮体在粘性流体中的侧倾振荡.结果表明,在无粘流体中浮体的垂直振荡与理论解符合得较好;在粘性流体中物体的运动为阻尼振动,与实际相符得较好.浮体在粘性流体中的侧倾振荡为阻尼运动,其侧倾角度随时间的增加而减小,在小角度时侧倾振荡与理论解接近.计算结果验证了计算程序的可靠性与精度,为ALE(arbitrary lagrangian eulerian)方法应用于流体-多浮体耦合运动分析奠定了基础.     

高速排水型船的运动性能预报

给出一种基于高速细长体理论的预报高速排水型船在波浪上运动性能的数值方法。在高速细长体理论的定解条件中 ,自由面条件是三维的 ,而控制方程和物面条件则是二维的。采用时域自由面 Green函数将定解问题转化为物面上的积分方程 ,进而求解水动力系数和船舶运动方程。对NPL 系列单体船型的运动性能作了理论预报 ,并与实验结果和用切片法的理论预报结果作了比较。结果表明 ,高速细长体理论的预报结果与试验结果更为接近 ,而切片理论由于受到纯二维假定的限制 ,在高航速情况下 ,预报精度较差。     

系泊浮桥运动的非线性动力特性

研究系泊分段线性恢复刚度对浮桥运动的影响，根据系泊浮桥的分段线性刚度，提出了浮桥动力响应的非线性分析模型．考虑浮桥的横荡运动，计算上下游锚链的系泊力及确定分段线性刚度，建立了浮桥横荡运动方程．以长1000m的浮桥为例，得到了浮桥横荡周期为4．33s，及不同波浪作用下浮桥横荡运动响应的幅频特性．计算表明，由于系泊刚度的分段线性，浮桥运动出现幅值跳跃，并且刚度比越大，幅值跳跃越大．     

频时域混合法求多浮体系统的不规则波运动响应

介绍了一种用于预报多浮体结构在波浪中的运动响应的频、时域混合法。根据确定不规则波的跨零经,用频域法求解浮体的水动力系数,并适时求解非线性描力等外力,方程求解时引入动力有限元中的增量平衡方程,利用本方法预报了由６个单体组成的中空浮动结构对波浪的运动响应,并与试验结果进行了比较,数值结果与试验数据具有较好的吻合程度。     

盆地型长周期地震动的判别准则

为了筛选出盆地内超高层结构抗震设计所需的盆地型长周期地震动(简称为长周期地震动)验算波,总结了长周期地震动的形成机理,分析了长周期地震动中面波的卓越性,提出了截取由面波主导的地震动尾波的方法,通过基于尾波特性的统计分析得到了长周期地震动的判别准则.结果表明:沉积盆地边界所激发的面波在盆地内传播、叠加以及依频率放大是长周期地震动的主要形成机理;长周期地震动中由面波主导的尾波段对长周期结构响应起控制作用;长周期地震动判别准则宜定为:速度反应谱卓越周期大于2s,且截取出的尾波与原始波在速度反应谱卓越周期处的谱幅值比大于85%.     

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。     

水平轴潮流能水轮机耦合运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.     

Stokes波的数值生成

优良的波浪环境条件是非线性波浪与结构物相互作用问题研究的基础。给出一种在时域中模拟刚性剖面作周期运动辐射生成Ｓｔｏｋｅｓ 波的方法,为数值波浪水池试验提供高品质入射波模型。在频域中对二维二阶辐射问题作数值求解,通过对二阶辐射波传播模式的分析,找出能在水池中生成二阶意义上纯正的Ｓｔｏｋｅｓ波的造波机运动形式。利用边界积分方程的时间步进法进行非线性数值造波的模拟证实了在频域中得到的结论,在数值波浪水池中生成了稳定的带有波前的高品质Ｓｔｏｋｅｓ波。