圆筒形浮式生产储油装置在短峰波中水动力性能试验研究

采用不同方向分布参数的三维短峰波浪对圆筒形浮式生产储油装置(FPSO)迎浪方向的水动力性能开展模型试验研究,对圆筒形FPSO运动响应和系泊系统受力进行分析,并与长峰波浪中的试验结果进行对比.试验结果显示:在短峰波环境条件中,圆筒形FPSO的纵荡运动响应小于长峰波试验结果,横荡和横摇运动响应大于长峰波试验结果,系泊缆最大张力小于长峰波试验结果.在短峰波与长峰波环境条件中,圆筒形FPSO的水动力性能存在较为显著的差异.试验结果可为深入开展三维短峰波中海洋结构物水动力性能研究提供参考.

短峰波与圆弧型贯底式多孔介质防波堤相互作用研究

将比例边界有限元法(SBFEM)推广到短峰波与圆弧型贯底式多孔介质防波堤相互作用研究中.将圆弧延伸构建一个虚拟圆柱面,对于圆弧段与圆弧延伸段,分别采用不同的孔隙影响系数.该圆将整个流场划分成一个无限子域和一个有限子域,并利用变分原理在各个子域上推导了SBFEM的基本方程.然后,SBFEM针对无限域和有限域分别采用汉开尔函数和贝塞尔函数作为基函数来求解对应域的解,并在公共圆边界处加以匹配.数值计算验证了该方法是一种利用很少单元离散虚拟圆便能得到精确结果的高效方法.进一步给出了不同波向入射、相对波数、防波堤不同孔隙影响系数、不同张角等参数对防波堤波浪荷载、波浪爬升的影响,这为该类防波堤水动力分析和结构设计提供了有价值的参考.

短峰波与双层开孔圆筒柱相互作用的数值分析

应用比例边界有限元法(SBFEM)研究了短峰波与双层开孔圆筒柱相互作用。该方法将整个计算域划分成两个有限子域和1个无限子域,利用SBFEM使空间维数降低一阶,并在降维方向保持解析的特点,只需对求解域外圆柱边界进行离散。通过比例坐标与直角坐标之间的转换,并利用变分原理推导了各个子域的SBFEM方程。然后,SBFEM针对有限域和无限域分别采用贝塞尔函数和汉克尔函数作为基函数来求解对应域的解,并将计算结果与解析解进行比较,验证了该方法是一种用很少单元便能得到精确结果的高效方法。进一步研究了诸如相对波数ka、内外柱半径比a/b和内外壁孔隙影响系数G等对双层开孔圆筒柱结构所受波浪荷载、结构内外侧波浪爬升及绕射波轮廓的影响。为双层开孔圆筒柱水动力分析和结构设计提供了有价值的参考。

在沿岸流作用下的线性短峰波解析解

由于目前三维短峰波的研究甚少涉及普遍的波-流相互作用机制,为此,针对波浪倾斜入射岸堤、反射、并伴随强烈沿岸流作用的典型近海波况,构造出有限水深短峰波一般线性系统,并得到其一般解析解和特定的深水、浅水波解析解。从而,进一步完善了现有的线性水波理论体系,为非线性短峰波理论在波-流相互作用领域里的探讨提供了一个可靠基础。

三阶表面张力-重力短峰波理论

考虑作用于表面波上的丰富表面张力效应,构造有限水深表面张力-重力短峰波系统,提出其解的唯一性条件,并获得其三阶解析解.据此,给出一系列与近海、海洋工程密切相关的运动学、动力学变量表达式:自由表面位移、速度势、角频率、波陡、相速度、水质点速度和加速度、波压力.并且发现,三阶角频率的零点、极点直接关系到谐波共振.

短峰波作用下饱和海床中的单桩响应分析

采用准静态三维数值分析方法直接模拟短峰波作用于海床表面与桩身的三维波压力分布,在考虑了海床土体的流固耦合和桩土界面的接触特征的基础上,研究了短峰波荷载作用下饱和砂质海床中的单桩响应问题.根据数值分析结果,研究了波浪荷载作用下土体的孔压变化规律、桩柱的位移和弯矩分布情况,探讨了桩土接触面不同处理方式的影响,并与自由海床和完全埋置单桩的模型结果进行比较.结果表明:泥线附近与桩端处土体的响应局部现象明显;采用桩土耦合模型时,孔压与弯矩响应相比于接触面模型有放大效应,而位移响应则正好相反.完全埋置桩在波浪作用下的响应主要受海床影响,在桩柱伸出海面的模型中,波浪荷载在桩柱上的影响起主导作用.

短峰波中船舶运动与波浪载荷的频域水弹性理论与试验研究

传统的耐波性及波浪载荷理论与试验主要针对船舶在二维长峰波中的运动与载荷响应进行预报,然而实际海浪是三维短峰波。研究表明,基于长峰波的理论计算及水池模型试验所预报的船舶运动与载荷响应与实际情况存在一定的差异,且三维波浪的方向扩散特性是影响船舶运动与载荷响应的重要因素之一。为了研究短峰波中船舶运动与载荷响应特性及其与长峰波中响应的差异性,本文首先基于三维水弹性理论计算船舶在规则波中的频域响应,然后基于二维谱分析法将其扩展至短峰不规则波中船舶运动与载荷响应预报,进而分析短峰波方向扩散函数对于船舶运动与载荷响应的影响,最后基于实际海浪环境下大尺度模型水弹性试验数据验证理论计算结果。

基于RANS的短峰波中船舶耐波性预报

三维海浪的准确模拟是研究实际海浪中船舶水动力性能的必需条件.论文应用基于CFD的RANS方法针对短峰不规则波进行数值模拟仿真与分析.通过STAR-CCM+软件建立方形数值水池,借助Java宏命令将短峰波目标方向谱分解成不同频率、不同方向、不同波幅且相位随机的规则子波;建立基于VOF的叠加波模型并运行宏命令,以完成规则子波参数的分配.最后,对典型工况短峰波下的船舶运动响应进行了模拟仿真与分析.

用短峰波理论预报南海浮式生产储油装置运动响应

用短峰波理论并采用谱分析法,对在南海100年重现期极端环境条件下转塔式单点系泊的浮式生产储油装置(FPSO)的耐波性进行了分析。与长峰波理论计算结果相比,短峰波理论计算结果具有以下特点:①FPSO横摇运动幅值和纵摇运动幅值对波向角的变化不太敏感,其最大值与最小值之间的差值较小;②在迎浪状态下FPSO的横摇运动幅值不为0,而且会产生较大的横摇运动响应;③在横浪状态下FPSO也会产生较大的纵摇运动响应。短峰波理论的运动响应计算结果打破了PFSO在迎浪时模摇运动为0,在横浪时纵摇运动为0的传统观念。南海FPSO设计运动参数选择以短峰波压载状态下的计算结果为依据。

松弛时间对热弹性扩散板中环形峰波的影响

在不同热弹性扩散理论的框架中,无应力作用、恒温/绝热、化学势条件下,研究了均匀、横观各向同性无穷板中热弹性扩散环形峰波的传播.得到了热弹性扩散Lamb型波的色散方程.同时推演出色散方程的一些特例.

扩展形式的修正的Kadomtsev-Petviashvili方程的多重峰波

研究修正的Kadomtsev-Petviashvili(mKP)方程的一个扩展形式.使用由Hereman和Nuseir提出的、一个可以信赖的、Hirota双线性法的简化形式.由该方程(这里称为mKP方程)直接导出多重峰波解.研究还表明,扩展项并不会破坏mKP方程的可积性.

短峰畸形波生成、演化过程的外部特征研究

在实际海况中,由于波浪组分方向不同,使海浪常表现为三维短峰波,与二维长峰波相比,有诸多异同特征。为了研究三维畸形波生成和演化过程中异常大波的外部特征以及大波间的关联,本文采用色散和方向聚焦方法在物理水池中模拟了短峰畸形波的整个生成和演化过程。研究结果表明,生成和演化过程中出现的异常大波沿着方向分布函数峰值方向演化,具有一定程度“对称”特征;根据异常大波的特征参数可将该过程分成3~4个典型的阶段,这意味着可以根据异常大波的特征参数判断其所处阶段及预测其演化趋势;三维畸形波生成和演化过程可能会跳过“波群”或者“深谷”阶段,与二维畸形波相比,时−空范围较小,这意味着在三维波浪场中,与畸形波相关的深谷和波群的发生概率较低。

长峰与短峰不规则波对船舶运动与波浪载荷的影响分析

[目的]为了研究真实三维海况短峰波中船舶运动与波浪载荷响应,克服现阶段二维长峰波假设的思路束缚,提出一种短峰波中船舶运动与波浪载荷的预报方法。[方法]基于频域谱分析法和概率统计法,预报二维长峰不规则波及三维短峰不规则波中船舶运动与载荷响应的短期及长期统计值,并分析短峰波方向函数对船舶运动与载荷响应的影响。随后,基于水池模型试验和大尺度模型海上试验,对比验证长峰与短峰不规则波中船舶运动与载荷短期响应谱及概率统计值的差异性。[结果]结果显示,在同等级海况下迎浪航行时,长峰波会夸大船舶的载荷响应统计均值,而低估真实海浪下的极值载荷;二维长峰波中的船舶运动及加速度能量集中在某一频率附近。[结论]船舶在真实三维海浪中的运动与载荷响应与二维长峰波中的响应存在显著差异,短峰波方向函数对船舶运动与载荷响应有着显著影响。

一般反射短峰波的普适法则——倍频率通向短峰波

考虑环境均匀流效应,给出从垂直防波堤发生一般部分反射短峰波的三阶解析解.据此推断出一项普适法则:倍频率通向短峰波.

作用于海流上的线性表面张力-重力短峰波

短峰波为一基本的三维海洋表面波,代表着当今水波发展的一大前沿态势;表面张力波可产生种种显著效应,与海面雷达遥感直接相关;海流贯穿表面波的整个运行过程.根据上述理念构造出表面张力-重力短峰波的一般线性动力系统,并纳入海流效应,得到下列运动学、动力学变量的解析表达式:自由表面位移、速度势、角频率、波高、波陡、相速度、水质点速度、加速度和轨迹、波压力.该套解析解可包含若干种经典、代表性和最新的波况特例.

直立堤前部分反射短峰波演变的三个无穷序列

在直立墙防波堤前部分反射的n色n向短峰波高阶系统中,发现了其解析解数目演变的三个无穷序列,具有基本的水波理论和工程应用价值.

经典三阶驻波、短峰波的有效匹配解

发现经典非线性三阶驻波、短峰波解并不满足其所必须的波幅方程,这势必要影响与这些经典理论密切相关的现代短峰波理论的发展.基于此,提出了一套消除这种解与方程不相匹配的理论判据,从而可充分保证最终所得之解的内在和谐性和正确性.

二维均匀流作用的线性表面张力-重力短峰波解析解

考虑二维均匀流的作用,寻找到有限水深线性表面张力-重力短峰波系统的解析解.进而从中发现广义Doppler频移关系和广义色散关系.而且,广义本征频率直接与均匀流相关,具有对偶值,富于变化性.

二维均匀流与重力短峰波相互作用解析

短峰波和海流广泛分布于海洋之中,但二者的相互作用直到近些年才逐渐受到关注,根据速度势函数理论,推导二维均匀流与重力短峰波的相互作用,区别于之前的研究,推导时不考虑波面的毛细影响,避免了将位置变量(x)与时间变量(t)绑定的假设,使得二阶速度势函数包含了的时间(t)一阶项,从而给出了完整的二维流与短峰波交互作用的二阶解析解,对比结果说明上述考虑对于波流共同作用结果有影响,尤其是在波高较大时,影响更加明显,所得结果,可用于高波浪条件下海洋波浪与流相互作用的计算.

表面张力-重力短峰波作用的海底边界层速度二阶解

依据最近提出的三阶表面张力-重力短峰波理论,通过求解经典的Prandtl边界层方程,给出海底边界层速度的二阶解析解,为确定海底边界层的质量输运提供了一个必备的先行理论基础.