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.     

单点系泊油轮动力响应试验研究

单点系泊采油装置因其机动性强、经济性好、投产早等特点 ,已成为我国海上油田早期采用的主要装置。分析了引起海上单点系泊油轮纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇和平摇 6个自由度运动的原因 ,讨论了油轮各个自由度运动对油轮上设备正常工作的影响。研究表明 ,纵荡、升沉和纵摇对油轮设备影响最大。为了求得油轮这 3个自由度的运动 ,对单点系泊油轮进行模型试验。单点系泊油轮在海浪中的运动规律表明 ,在 ω/ g/Lbp=2 .5处纵摇和升沉运动最大 ,提出了减小油轮运动的一些措施     

单点系泊油轮动力响应试验研究

单点系泊采油装置因其机动性强、经济性好、投产早等特点，已成为我国海上油田早期采用的主要装置。分析了引起海上单点系泊油轮纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇和平摇6个自由度运动的原因，讨论了油轮各个自由度运动对油轮上设备正常工作的影响。研究表明，纵荡、升沉和纵摇对油轮设备影响最大。为了求得油轮这3个自由度的运动，对单点系泊轮进行模型试验。单点系泊油轮在海浪中的运动规律表明，在w／√g/Lbp＝2．5处纵摇和升沉运动最大，提出了减小油轮运动的一些措施。     

粘性流中船舶自由横摇衰减运动数值模拟

以计算流体力学(CFD)理论为基础,基于商业CFD软件FLUENT平台经技术上一系列的二次开发,对某一无航速驳船的二维横剖面在静水中作自由横摇衰减运动进行了数值模拟,分析得到了船体剖面的横摇阻尼系数及固有周期,并与相关试验结果进行了比较,相对误差均小于3%.研究结果表明,数值方法能够对船舶自由横摇衰减运动进行有效地模拟,为预报船舶横摇运动特性提供了一条既有效又便捷的数值手段.     

两层流体中垂直圆柱浮体的辐射水动力特性

基于特征函数匹配方法,建立了两层流体中垂直圆柱浮体水波辐射问题的求解理论,导出了垂直圆柱浮体的附加质量和阻尼系数的计算公式.针对垂荡、横荡与横摇振荡运动模式,计算分析了垂直圆柱浮体的附加质量和阻尼系数特性,并与均匀流体的情况进行了比较.结果表明,在垂直圆柱浮体的某个振荡频率范围内,流体的分层效应对其附加质量和阻尼系数是有显著影响的.     

基于AQWA的潮流能发电平台稳定性研究

文章应用水动力学软件AQWA对在随机波浪荷载和风、流荷载联合作用下的浮动式发电平台的稳定性进行研究,分析了5种工况下该平台遭遇迎浪(0°浪向角)、艏斜浪(45°浪向角)、横浪(90°浪向角)时的横荡、纵荡、艏摇运动响应幅值,比较了该平台在破损工况(有系泊缆断裂工况)和完整工况(无系泊缆断裂工况)下的运动响应幅值。结果表明:平台的艏摇、横荡和纵荡运动响应的最大值分别发生在遭遇艏斜浪、迎浪和横浪时;在系泊缆断裂瞬间该平台所有方向运动响应均有大幅增加,其中破损自存工况下艏摇运动响应幅值是完整工况下的6~7倍。     

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.     

浮基多体系统在静水中展开过程的运动响应

为模拟浮基多体系统上部结构在展开时的顺序与快慢对浮基运动响应的影响,介绍了建立在齐次矩阵方法基础上的浮基多体系统运动时域求解方法,并对一个由4刚体组成的浮基多体系统进行了建模和数值计算,模拟了上部机构以一定规律依次展开或同时展开时系统的运动响应,得到了浮基在各工况下横摇、横荡和垂荡的时间历程曲线。数值模拟结果表明：对于这2种展开形式,浮基的横荡几乎不随展开时间和形式变化,影响比较明显的是垂荡和横摇。总的来说,该浮基多体系统同时展开的方式要优于依次展开的方式。     

用方向谱求解油轮横摇运动

确定一阶横摇运动方程中各系数，一阶横摇干扰力矩，以及单位波面角状态下横摇幅频响应函数；将波能谱转换为波面角能谱，利用波面角方向谱计算油轮横摇时有效波面角能谱，得到任意波向下横摇运动谱，并考虑了水深的变化对油轮横摇运动谱的影响。     

一种新型船用起重机综合补偿系统原理及运动学模型

针对深水吊装作业摆动抑制和升沉补偿问题,提出一种新型船用起重机综合补偿系统.在船用起重机底座加装防摇平台,使船用起重机保持平稳.船舶升沉运动则由液压绞车补偿,从而降低综合补偿的能耗.介绍综合补偿系统的组成和原理,并进行系统的运动学建模,求得在船舶横摇角、纵摇角、升沉条件下各个转动关节的关节角及对应液压缸的长度.     

船舶横摇非线性阻尼系数识别

根据自由横摇曲线估算船舶横摇非线性阻尼系数,用于预报船舶海浪中的运动．提出了能量衰减函数的概念,并由实际能量衰减函数与估算能量衰减函数之间的方差最小来确定非线性阻尼系数．由船模的自由横摇试验曲线,分别估算了平方阻尼模型及立方阻尼模型的非线性阻尼系数,并与试验数据进行了比较.结果表明,在考虑了试验测量误差的情况之下,计算结果同试验结果很接近,可用于预报实船非线性横摇运动．该方法不需要事先确定阻尼的准确形式,并且可以满足大角度横摇回复力矩强非线性的要求．     

桶形基础平台沉放过程数值模拟分析

平台在沉放过程中,受到复杂的一阶和二阶流体动力作用,为了深入了解沉放过程中平台的运动特性,首先建立了桶形基础平台沉放数值模型,然后通过格林函数法和平台湿表压力积分来计算一阶和二阶流体动力,并耦合求解平台和锚泊线运动方程,得到平台的运动响应.为了验证数值模拟计算的准确度,在上海交通大学海洋工程国家重点试验室进行了平台沉放模型试验,试验结果与数值模拟符合良好.数值模拟分析表明,平台在沉放过程中主要的运动为纵荡、横荡、纵摇和横摇,并且与来波方向有密切关系;二阶波浪力对纵荡和横荡有明显的作用;整个沉放过程中平台运动比较稳定,可以实现平台的自身压载沉底.     

减摇水舱晃荡运动数值模拟研究

减摇水舱是一种全航速下都能起到减摇效果的减摇装置,研究减摇水舱在晃荡运动过程中减摇力矩的变化规律,是一件很有意义的工作.首先,考虑到减摇水舱在晃荡运动的过程中水舱角的变化对阻尼系数的影响,将阻尼系数看作一个时变的函数;然后求解船舶-水舱系统横摇方程,计算不同频率简谐运动形式下,减摇水舱对于船舶提供的减摇力矩;最后应用CFD方法,对水舱在上述运动形式下的晃荡过程进行3D数值模拟,求得的减摇力矩与理论计算值比较吻合.该研究工作为减摇水舱减摇力矩的计算提供了一个新方法,同时也为下一步的研究奠定了理论基础.     

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.     

半滑行航态下三体船布局对附加质量影响的数值研究

为分析半滑行航态下(1.0Fr▽3.0)三体船侧体布局对附加质量和船舶操纵性能的影响,以wigley船为母型船建立不同侧体布局的三体船模型,考虑半滑行状态下升沉、纵摇变化,基于三维势流理论,采用面元法计算三体船六自由度附加质量水动力系数.结果表明:升沉、纵摇导致的湿表面和排水体积变化对三体船水平面上操纵性相关的纵荡、横荡和艏摇附加质量影响较大,较正浮状态下平均增幅分别为41.37%,21.74%及21.49%.侧体纵向布局一定情况下,横向布局对附加质量影响相对较小;横向布局一定情况下,侧体位于船体后方具有相对较大的艏摇附加质量,有利于船舶航向的稳定性;侧体布置船舯部具有相对较小的艏摇附加质量,有利于船舶转艏性能;侧体布置在船前部,船体艏摇附加质量和船舶转艏性能处于前两者侧体布置的性能之间.     

基于重叠网格的C11集装箱船自由衰减横摇模拟

为研究C11型集装箱船的大幅横摇阻尼,基于STAR-CCM+软件平台,使用重叠网格技术和流体体积函数(VOF)方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对该船零航速和有航速下自由衰减横摇运动进行数值模拟.数值模拟结果表明:湍流模型、运动方程约束自由度设置情况、初始横摇角释放时间等对横摇结果影响较大;使用k-epsilon湍流模型、放开6自由度、待流场稳定后释放船模所得的计算结果与试验值符合较好.     

受迫横摇运动浮式立轴叶轮的水动力性能分析

将浮式垂直轴叶轮在波浪中运动的水动力学问题简化为其在均匀流中受到强迫摇荡运动.通过二次开发ANSYS-CFX软件建立了这种强迫摇荡的水动力学模型,计算了垂直轴叶轮绕自身主轴旋转的同时发生单自由度受迫横摇运动时的水动力性能,分析了不同受迫横摇运动频率对叶轮推力和侧向力的影响,通过对计算的推力和侧向力进行傅里叶级数展开并进行最小二乘法拟合,得到了与水轮机受迫横摇运动速度和加速度相关的阻尼和附加质量傅里叶级数系数.计算结果表明:受迫横摇运动下的叶轮效率、推力和侧向力曲线的上下包络线明显按照横摇频率发生周期性波动;随着横摇频率的增加,推力和侧向力系数包络线波动幅值会随之增大,但平均值几乎不变;不同横摇频率下,在推力中阻尼项有较大的占比,而在侧向力中阻尼力和附加质量力几乎相当.浮式立轴叶轮在波流作用下的摇荡运动对潮流能装置的结构强度和疲劳特性有很大影响.研究结果对波流作用下的浮式潮流能装置水动力特性的研究有较大的工程和学术意义.     

舵鳍联合减摇与航向保持的非线性控制方法

为了研究船舶在固定航速下横荡、横摇和艏摇三个自由度运动的舵鳍联合减摇与航向保持控制问题,通过状态空间的划分,将状态含有绝对值的系统转化成为不含绝对值的切换系统,利用SOS(sum of squares)技术,分别设计了非线性状态反馈切换控制器和单控制器,并结合Lyapunov稳定性理论给出了闭环系统镇定的充分条件。仿真结果表明:在外扰的影响下,所设计的控制器使得船舶减摇效果明显,而且能够保持期望的航向。     

空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨数值模拟

基于雷诺平均纳维-斯托克斯方法对空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨进行了数值模拟,螺旋桨旋转与升沉运动的耦合采用自主定义的运动方程来实现,升沉运动简化为基于正弦函数运动规律的周期性运动,非定常流场的数值传递采用重叠网格技术实现.对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力系数、扭矩系数进行了分析,对螺旋桨的非定常空泡性能以及尾流特征进行了对比研究.结果表明:升沉运动会加剧推力系数和扭矩系数的非定常特性,并导致螺旋桨片空泡的非均匀分布;升沉运动周期越小,桨后涡结构的干扰效应越强,螺旋桨诱导的脉动压力幅值越大.计算结果对螺旋桨的优化设计具有一定的理论参考意义.     

基于MLP方法的船舶大幅横摇近似解析解

具有一定精度的近似解析解可以将船舶横摇运动特征直接与船体参数相联系,便于分析船体参数对横摇运动及稳定性的影响.文中考虑阻尼力矩和恢复力矩的非线性建立了船舶在规则波中的横摇运动方程;为了克服弱非线性的局限性,采用改进的Lindstedt-Poincare(MLP)方法对横摇运动方程进行摄动求解,经细致推导得到精确至二阶的解析解(静水中)和精确至一阶的解析解(波浪中).最后对一目标船分别采用MLP和数值算法进行求解,验证了近似解析解的正确性.