规则波中船舶Froude-Krylov力的解析积分计算

Froude-Krylov力是船舶航行中所受的主要作用力,对Froude-Krylov力的精确计算尤为重要.将船体平均湿表面划分为一定数量的四边形平面面元,在每个面元局部坐标系内,对四边形平面面元的边长坐标进行参数化处理.对于给定的线性入射波波高函数,基于格林定理,推导了Froude-Krylov力在平面面元上的解析压力积分表达式,避免由于数值积分方法计算Froude-Krylov力产生的误差的同时,船体所需划分的面元数量大大减少.研究了水深在不同波长及浪向角下对船体所受Froude-Krylov力的影响,并进一步基于线性时域理论,对绕射力采用三维时域格林函数法进行计算.对具有前进速度的WigleyⅠ型船进行仿真,计算结果表明:水深大于船长的一半时,船体所受的Froude-Krylov力逐渐接近于无限水深所受的Froude-Krylov力;水深无限时,作用在船体上的波浪激励力计算结果与试验值在大部分频率范围内吻合较好.因此,由解析压力积分求取Froude-Krylov力的算法有效性得到验证.

基于自适应网格的Froude-Krylov力实用计算方法

为了准确地计算船舶航行中所受的Froude-Krylov力,基于四叉树划分的自适应网格对船舶瞬时湿表面进行生成,本文对低于波面且位于平均自由液面下的面元,采用解析表达式计算Froude-Krylov力,在保证计算精度的同时,其所需要的面元数量减少为计算Froude-Krylov力采用“细网格”面元数量的1/8~1/4;对与波面相交或者位于平均自由液面上的面元,采用四叉树划分对Froude-Krylov力进行精细的数值计算。利用线性理论,扰动力采用三维时域格林法在船体平均湿表面上进行计算。结果表明:将WigleyⅠ型船的计算结果与试验值及其他方法结果进行充分对比,证明本文方法预报船舶在波浪中运动的有效性。

规则波中船舶复原力和参数横摇研究

为研究规则波中船舶复原力变化规律及其对参数横摇的影响,首先,基于切片理论求解出船舶无横倾时在波浪中时间序列垂荡和纵摇运动,确定出波面与船体的相对位置;其次,利用三个坐标系之间的转换关系进而确定规则波中船体各横剖面左右舷与波面瞬时交点,求得各浸水剖面面积;然后对波浪压力沿船长湿表面积分,得出规则波中船舶复原力的Froude-Krylov部分。同时,利用作用在横倾船舶上的辐射力和绕射力,求出规则波中船舶复原力辐射力和绕射力部分。在复原力计算的基础上,确定一个参数横摇模型,实现波浪中参数横摇计算。以一艘集装箱船为例,研究了规则波中复原力变化以及参数横摇规律,复原力变化幅度是影响参数横摇的一个重要因素。

规则波中船舶复原力变化计算

基于切片理论,利用3个坐标系之间的转换关系,建立了任意规则波中重力与浮力平衡及纵倾力矩为零的瞬时静平衡方程,提出了任意规则波中船体各横剖面左右舷与波面一组或多组交点的求法及各浸水剖面面积的通用计算法;基于Froude-Krylov假说研究了规则波中船舶的复原力变化.通过对一艘油船的各种瞬时状态的计算,得到波浪中船舶的复原力变化特性.计算结果表明船-波相对位置是影响波浪中复原力变化的一个至关重要因素,且波浪中船舶复原力在横倾大角度时表现出明显的非线性.

斜浪长峰不规则波中船舶复原力变化计算

基于切片理论,先求解出船舶无横倾时在斜浪长峰不规则波中的垂荡和纵摇运动,确定出波面与船体的相对位置,再利用三个坐标系之间的转换关系,提出了任意斜浪长峰不规则波中船体各横剖面左右舷与波面一组或多组交点的求法及各浸水剖面面积的通用计算法;同时基于规则波复原力计算公式,提出了Froude-Krylov假说下的斜浪长峰不规则波中复原力计算公式。最后以一艘集装箱船为例,研究了其在斜浪不规则波中复原力变化,计算结果表明船-波相对位置是影响斜浪长峰不规则波中复原力变化的一个至关重要因素。

封闭式波浪能发电装置受力与俘能功率研究

为开发低能流密度海域波浪能应用潜力,对新型封闭式波浪能发电装置开展受力及俘能功率进行研究。基于三维势流辐射-绕射理论,运用时域分析法,研究了质量对5～20 m浮标直径的封闭式波浪能发电装置F-K力、波浪绕射力和俘能功率的影响。研究发现,在8～14 t的质量要求范围内,随质量的增加,F-K力和波浪绕射力最大增加了127%和88%,俘能功率增加了23.5%～47%。研究结果表明,质量对封闭式波浪能发电装置的受力和俘能功率具有显著影响,通过增加质量的方式可提高波浪能发电装置的俘能功率。该研究可为波浪能发电装置材料选择、功率提升提供理论依据和方法,对开发低能流密度海域波浪能资源具有一定的推动作用。

半潜式平台内孤立波载荷计算方法及其试验验证

针对半潜式平台的立柱群和沉箱群,设计了两套独立的载荷测量系统,利用大型重力式密度分层水槽,在不同来波方向下对孤立波中半潜式平台载荷进行了系列模型试验。研究表明,对平台立柱部分,其内孤立波载荷可以用Morison公式进行计算,基于试验结果建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;对于半潜式平台的沉箱部分,当来波方向与其中纵剖面不平行时,其水平内孤立波载荷同样可以使用Morison公式进行计算,并建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;当来波方向与半潜式平台中纵剖面平行时,沉箱群的水平内孤立波载荷可以采用Froude-Krylov公式进行计算;同时,在不同来波方向下沉箱群的垂向载荷同样可以采用Froude-Krylov公式进行计算。

基于全非线性流函数理论的规则波中船舶大幅运动弱非线性数值模型研究

为了保证船舶在高海况下的安全航行,对大振幅非线性船舶运动进行精确的数值预报是非常重要的。为了分析波浪中船舶的垂向运动,提出了一种弱非线性船舶运动模型。在数值模型中,利用脉冲响应函数估计辐射力和绕射力,并根据动量冲击理论引入船舶砰击力,在入射波面下计算瞬时浸湿船舶表面上的入射波浪力(Froude-Krylov力,简称:F-K力)和静水压力。该文算法模型的一个特色是引入了全非线性的流函数波动理论来估计入射波的运动学、动压力和F-K力流体载荷,给出详细的数值结果并进行了讨论。利用该数值模型对S175集装箱船在规则波中的垂向非线性运动进行了计算。结果表明:基于流函数波浪理论的垂向F-K力和垂荡运动略大于线性波理论,特别是当入射波的陡度较大时。此外,文中采用动量冲击理论来估算截面砰击力,数值结果表明:在相对较高的航速下,砰击力对船舶垂向运动影响较为显著,相对不考虑的情况可进一步减小运动幅值。

“流花”张力腿平台内孤立波载荷特性

该文在重力式密度分层水槽中,对"流花"张力腿平台在内孤立波作用下的载荷特性进行了系列实验研究。同时,基于两层流体中内孤立波的Kd V、e Kd V和MCC理论,建立了该台的内孤立波载荷理论模型。研究表明,该平台的水平力主要为立柱与沉箱的拖曳力和惯性力,其中拖曳力系数与雷诺数Re数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC数之间呈幂函数关系,而垂向力主要为立柱底部的Froude-Krylov力。结果进一步表明,基于理论模型的计算结果与实验结果吻合良好,而且随着内孤立波振幅的增大,水平力和力矩均近似呈线性增加。

孤立波对淹没平板作用力的经验预报模型

该文通过物理模型实验和理论推导,研究了孤立波对淹没结构的载荷经验预报问题。基于狭道流动假设,推导了孤立波中临界淹没平板的Froude-Krylov力,得到了表征水平波浪力、垂向波浪力和倾覆力矩等水动力载荷系数有关的无量纲复合因子。考虑波高和淹没深度对水动力载荷系数的影响,采用基于六分力天平组测量得到的孤立波经过平板时受到的水动力载荷,分别拟合了用复合因子和简单因子表征的经验公式,结果表明,基于复合因子给出的拟合公式较为简洁。基于无量纲复合因子,进一步考虑平板淹没深度的影响,在实验给定平板厚度和长宽比的条件下,建立了平板所受波浪载荷系数随孤立波相对波高、相对板长和相对淹没深度变化的经验公式。结果表明,在临界淹没状态下,随着相对波高增大,水平波浪力和垂向波浪力的首个极值系数均变大,其第二个极值系数均变小;俯仰力矩系数的前两个极值系数变大,而第三个极值系数变小;随着相对淹没深度增大,水平波浪力和垂向波浪力的极值系数均变小,俯仰力矩的第二个极值系数也变小。

半潜平台内孤立波载荷实验及其理论模型研究

该文在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下半潜平台的载荷特性开展了系列实验。基于两层流体内孤立波KdV、eKdV和MCC理论,建立了半潜平台内孤立波载荷的理论预报模型,给出了该理论预报模型中三类内孤立波理论的适用性条件。研究表明,半潜平台的内孤立波水平力包括立柱与横撑部分的拖曳力、惯性力以及沉箱部分的Froude-Krylov力三个部分,其中前两个力可由Morison公式进行计算,第三个力可以通过内孤立波诱导动压力在沉箱迎流和背流面进行积分计算。半潜平台的垂向力主要为垂向Froude-Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在横撑和沉箱上下表面进行积分计算。系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论预报模型所获半潜平台水平力、垂向力及其力矩的计算结果均与系列实验结果吻合良好。

FPSO内孤立波载荷实验及其理论模型研究

该文在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下FPSO载荷特性开展了系列实验,研究表明,FPSO的内孤立波载荷包括船体水线表面的摩擦阻力和Froude-Krylov力两个部分。并基于两层流体内孤立波的KdV、eKdV和MCC理论,建立了这两个载荷成分的理论预报模型。系列实验结果表明,摩擦阻力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为反比例关系,而且基于所建立理论预报模型所获FPSO的水平力、垂向力及其力矩计算结果与系列实验结果一致。该项研究以系列实验结果为依据,为海洋工程FPSO的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型。