随机波浪对浪溅区三维结构物冲击作用试验研究

通过物理模型试验研究了随机波浪对位于浪溅区三维结构物的冲击作用.试验波浪为单向随机波.试验中波浪分别从正向(波向角β＝0°)和斜向(β＝15°、30°、45°)入射,入射波波高H1/3=7.5～20 cm,谱峰周期Tp=0.75～2.0 s,模型相对净空s与入射波高H1/3之比为0～0.5.对不同试验组次试验数据的统计分析比较得出:正向波和斜向波作用于结构物底面的冲击压力特征值,中部大、周围小;波浪冲击压力等值线基本上垂直对称分布于波向线两侧;结构物所受波浪冲击力随入射波波高增大而增大,对应相对板宽的变化出现2个峰值,在相对净空s/H1/3为0.1和0.2时到达最大值.     

艏柱对高速船顶浪中水动力性能影响

依托NPL 4b船型的实验数据,分别验证了基于STF切片理论和雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法计算程序的可信度.采用带尾端修正的STF切片法计算并分析了4种不同艏柱船型的高速船舶在顶浪、Froude数为0.8、遭遇频率为2~20rad/s条件下航行时的耐波性能,采用RANS方法得到在设计航速和波长为1.5倍船长的顶浪规则波中船舶运动的时历曲线,建立了顶浪规则波中,船体周围的兴波特性和船舶本身深沉、纵摇与船舶阻力(摩擦阻力和剩余阻力)的关系.同时,讨论了4种不同艏柱船型的水动力性能的优劣及其适用的对象船舶.结果表明,在高速航行中,NPL 4b母型船的摩擦阻力较小,斧头型艏船的兴波性能最佳,穿浪体型艏船在波浪中的总阻力最小.     

典型外飘剖面有限水域入水砰击分析

针对大外飘船艏结构的砰击压力特性,应用重叠网格法对结构入水砰击过程进行仿真研究.分别讨论了当外飘结构底部为尖底形或球鼻艏形时,结构质量、入水初速度和流域宽度对砰击压力特性和入水速度的影响.另外,分析了限制流域宽度带来的侧壁面效应对外飘结构发生入水砰击时的自由液面抬升、水下压力分布的影响,对外飘砰击压力预报以及船艏结构优化具有一定参考意义和价值.     

风翼助航船舶在规则波浪中的稳性

为研究风翼助航船舶在波浪中的稳性,以一艘46 000 t油轮为目标船,首先,根据目标船的船型数据,在Maxsurf软件中进行三维建模并验证其正确性;其次,将航行时船舶与波浪的相对位置分为4种情形,分析加装风翼后船舶在不同的船-波位置中的稳性变化.结果表明,波峰在船中部且波长近似于船长时,船舶稳性下降较大.最后,通过Matlab软件选取随机数的方法模拟船舶航行时的随机风浪,计算船舶在加装风翼后航行的安全可靠性.由船舶在8级风级下的最危情况可以看出,加装风翼后船舶的航行安全性要低于未加装风翼的船舶,并且存在4.77%的倾覆概率.     

关于船舶在不规则波浪中运动的问题

一般认为,船舶在波浪上搖摆时,运动方程的系数是船舶搖摆頻率的函数,当船舶处在不規則的波浪中时,船舶的搖摆也是不規則的,很难說它有固定的頻率,因此,在具体处理船舶的搖摆方程时,其系数就无法精确确定,本文以升沉运动为例,重新探討了船舶在不規則波浪上的运动問題,得到了精确而又极其簡单的結果,从而就在根本上解决了这問题。     

圆柱在波浪中入水的数值模拟

为了研究波浪对圆柱入水过程的影响,采用二维CFD(Computational Fluid Dynamic)方法数值模拟了圆柱在规则波中的入水过程.该方法采用自由液面捕捉法和直角切割网格系统分别处理自由液面和物体动边界,结合推板造波和海绵阻尼消波原理而实现数值造消波,并分析波浪参数(波高、周期和圆柱入水时的波浪相位)对圆柱入水动力特性的影响.以在波浪中的起重船上悬吊圆柱入水作为工程应用实例进行数值模拟,研究不同工况下绳索的张力变化和重物的运动特性.     

非线性波浪对结构物的冲击作用

以紊流运动方程－－雷诺时均方程为控制方程,基于流体体积法（ＶＯＦ）对浪溅区结构物所受的波浪冲击作用进行了数模研究,入射波为椭和弦波,２三阶迎风左分格式来离散控制方程的对流项,加入了ｋ－ε紊流模型及在近壁区应用壁函数,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,得到了非线性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等参数的波浪冲击压力的影     

基于CFD的小尺度桩柱流固耦合分析及波浪力求解

基于Workbench平台建立了软土地基圆柱桩波浪作用分析的三维数值波浪水池,实现了线性波的数值模拟及波浪与桩柱的双向流固耦合分析,并得到波浪力数值解.对于小尺度桩柱,桩柱为刚性时其所受波浪力与《港口与航道水文规范》中规范解一致.考虑桩柱的柔性及流固耦合时,在达到峰值的位置波浪力与规范解相比既有增大也有减小,桩柱总波浪力最大增大5.7%,桩底弯矩最大增大54%.而采用直接加载法即不考虑流固耦合时桩柱的振动幅值大于耦合时桩柱振动,桩底弯矩最大,大于规范解84.6%.因此,在进行小尺度柔性桩柱设计时应采用流固耦合方法.     

船-桥碰撞力理论分析及复合材料防撞系统

考虑桥墩刚度与船艏刚度,采用质点弹簧模型,建立了船-桥碰撞动力方程,分析了桥墩与船艏的相对刚度、碰撞接触时间对峰值撞击力的影响规律,修正了我国《公路桥涵设计通用规范》中漂浮物撞击力公式.研制了新型纤维增强复合材料防撞系统,开展了冲击性能试验,实现了相关桥梁防船撞工程应用.结果表明:当桥船相对刚度之比小于50时,峰值撞击力随桥-船相对刚度的增大呈对数形式增大;当桥船相对刚度之比大于等于50时,峰值撞击力可近似按欧洲统一规范取值.碰撞接触时间与船舶质量、船艏刚度相关.复合材料防撞系统能有效延长船-桥碰撞接触时间,大幅削减撞击力,从而有效保护桥墩结构安全,减轻船舶受损程度,具有显著的技术经济优势.     

波浪与直立堤的相互作用

本文研究了直立堤前波浪形态的分类方法和不同波浪形态间的界限及共产生条件;指出堤前存在有立波(包括破碎型立波),破碎型波(包括在堤前破碎的击岸波和在堤面破碎的破碎波)及过渡波三类波态;其波况及存在条件完全有别于无堤时的情况,阐明了埋基床与突基床情况的波况差异;指出了影响波浪破碎的各主要因素;提出了用临界波能说明波浪破碎的概念,并提出了各项有关指标。本文还研究了破碎型波波压力的特征及其计算图式,根据实验和分析成果提出了包括有地形底坡影响因素的击岸波波压力计算图式,并分析了它与现用方法的差别。代表符号说明H:水深 H_(CT):直立墙前水深 H_Бn:突基床直立墙基肩水深 E_(?)θ:全波长及单位长度上的波浪能量 p:波浪压力强度2h:波高 p_0:静水面处波压强度2L:波长 p_H:水底处波压强度2T:波周期 i:海底底坡0:波速 r:水的容重δ=(2h)/(2L):波陡其它有关符号见文中说明。h_0:波形中线抬高值u:波浪水流击岸速度v:波浪水质点运动轨迹速度。     

40m游艇艇艏砰击压力有限元分析

为了研究艇艏横倾时的砰击状况,采用数值模拟的方法对一艘长40 m钢制游艇的艇艏砰击性能进行了分析.在验证有限元方法模拟船舶入水砰击的基础上,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立船艏二维有限元模型,分析了游艇不同入水速度和横倾角对艇艏砰击压力的影响规律,数值模拟结果为预报艇艏的砰击压力状况提供依据,为游艇的结构设计提供参考价值.     

运动圆柱体水平撞水时的弯曲振动响应分析

针对空投弹药入水冲击问题,应用结构振动学理论及相关求解方法,研究了圆柱体在水平入水时与水面发生碰撞瞬间沿长度方向受到水面冲击载荷作用时的弯曲振动响应,建立了数学模型,并利用动力学仿真软件对其入水过程进行了仿真计算.结果表明圆柱体材料弹性模量、截面积、质量和长度对其响应有很大影响,使用文中所采用的解析法可以计算运动体水平撞水瞬间的弯曲振动响应,为空投入水弹药壳体设计提供理论参考.     

油轮波浪载荷直接计算法探讨

应用引进的规则波中船舶运动及载荷计算程序“ＮＳＲＤＣ”,结合自编的不规则波程序“ＩＲＪＹＪ”,以６５０００ ＤＷＴ油轮为例,对波浪载荷进行了直接计算。并根据以我国沿海台站与随船测量风浪资料建立的设计波高计算式,对波浪载荷长期预报进行了探讨。     

大型水面舰船波浪设计载荷的模型试验研究

针对大型水面舰船的波浪设计载荷计算,首先研究了国内外三种军规中的波浪载荷设计值计算方法,以某大型水面舰船为例,得到其设计载荷,并在拖曳水池中对该船进行了分段模型载荷试验.通过规范计算结果和试验结果的比较发现:现行军规对砰击弯矩的考虑不够充分,相对于模型试验结果规范得到的砰击弯矩值偏小而波浪弯矩值偏大.所得到的大型水面舰船波浪设计载荷特性可以为该型船舶波浪载荷理论计算的验证和改进提供参考,也为船体结构设计和有限元直接计算提供了依据.     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

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阶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.     

波浪对船舶碰撞影响研究

船舶碰撞多发生在一些比较恶劣的海况下,事实上碰撞过程是碰撞作用和外部环境荷载作用的耦合.基于非线性有限元方法,建立了考虑波浪作用的船舶碰撞模型,对碰撞过程进行了数值仿真模拟.将有无波浪存在下的碰撞结果进行了对比,并分析了波浪波高以及波浪入射角度对被撞船舷侧结构的影响.结果表明,在一定情况下波浪对碰撞过程有不利的影响,并从工程角度给出一些指导建议.     

“海上列车”静水及波浪中的水动力特性研究

为了研究新型多船航行概念“海上列车”在波浪中的运动特性和阻力性能，开发了一种基于功能分解的势黏流耦合方法．选取了Blunt Wigley船型为研究对象，三艘Blunt Wigley以0.1L(L为模型船长)的纵向间距串列组成多船系统．采用自主研发的势黏流耦合求解器HUST-SWENSE与结构化动态重叠网格代码HUST-Overset耦合求解船舶在波浪中的运动．静水中单船和多船系统阻力性能对比发现：串列式“海上列车”中引导船减阻效果明显，而后续单船均有不同程度的增阻，位于最尾部位置的单船阻力增加最大．通过对波浪中单船和多船系统的运动响应、波浪增阻和不同成分波系的对比分析发现：当参数τ>0.25时，引导船的运动特性与波浪增阻特征和单船几乎相同，须根据具体航行海况调整船间纵向距离以达到减阻的目的．     

集装箱船波浪载荷的研究

通过船舶三维运动程序进行了船舶运动与波浪载荷的初步分析.以一艘5500 TEU集装箱实船为例,通过设置不同航行条件来确定与运动和载荷最大值对应的航向角,得到了单位规则波作用下的运动振幅以及各种航向角下中剖面的受力转换函数和受力转换频谱,得到了主要载荷参数最大值所在位置、数值以及相应的航行条件,最后运用波谱理论进行了长期波浪载荷分析,并与现行规范进行了比较.该结论可用于集装箱船极限载荷分析,也可为船体结构设计提供参考.     

随机波浪作用下船舶倾覆的量化研究

为量化船舶倾覆问题,基于随机迈尔尼科夫(Melnikov)函数和相空间传输理论,从能量的角度对随机波浪下船舶航行时倾覆发生的安全程度进行研究.考虑阻尼力矩和回复力矩的非线性以及波浪的随机性,建立船舶非线性横摇运动微分方程.采用快速傅里叶变换(FFT)将时域波浪力转换到频域,从而将随机Melnikov函数及相空间转移率扩展到考虑船舶航速和浪向角的影响,并根据其统计特性对船舶倾覆进行量化.通过实船算例研究其在随机海浪中横摇运动相空间转移率的变化情况,并分析船舶航速、遭遇浪向以及波浪特征频率对相空间转移率的影响.研究结果表明,随机Melnikov函数和相空间传输理论能够较好地对具有一定航速的船舶在随机波浪中的倾覆进行量化,从而可为进一步研究船舶稳性衡准提供有益的参考.