FPSO水动力特性的完全非线性数值模拟

[目的]为提高海洋结构物的安全性能,针对波浪与结构物相互作用的问题开展完全非线性数值模拟研究。[方法]基于三维完全非线性时域势流理论及高阶边界元法(HOBEM),建立波浪与结构物相互作用的开敞水域模型。采用速度势分离技术将整个问题分解为入射部分和散射部分,入射势由理论解给定。采用混合欧拉-拉格朗日(MEL)方法追踪瞬时自由水面的流体质点,并采用四阶龙格-库塔法对瞬时自由水面进行更新。引进虚拟函数计算波浪载荷,而非直接求解速度势的时间导数。在自由水面的外侧设置人工阻尼层,防止波浪从远场边界反射。自由水面网格仅在初始时刻生成一次,并采用弹簧近似法在不改变网格节点顺序的情况下对瞬时水面进行网格重构,以避免数值不稳定。[结果]在验证所提出数值模型有效性和精确性的基础上,针对某浮式生产储卸油轮(FPSO)模型的水动力特性进行数值模拟,发现考虑非线性影响时FPSO的运动响应在共振区段明显增大,证明了传统线性方法的预报结果趋于危险。[结论]研究成果既可为海洋浮式结构物的设计提供更可靠的预报工具,也可为其实际应用提供理论依据。

波浪对淹没水平圆柱作用的非线性数值模拟

采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法建立了模拟波浪对淹没水平圆柱作用的二维完全非线性数值模型,运用两点分离法得到淹没潜体后的各个组成波的波浪形态。通过与已发表试验数据和解析解的对比,验证了本文模型的正确性。进而开展数值试验研究分析得到强非线性条件下淹没圆柱后高阶自由波和锁定波与入射波参数、淹没水深等因素的变化规律。

布拉格共振条件下的高阶谐波特性研究

为了考虑波浪在周期性地形上传播时诱发的布拉格共振现象和高阶谐波之间的相互影响,本文基于时域高阶边界元方法,建立二维完全非线性数值波浪水槽,数值研究布拉格共振条件下周期性地形诱发的高阶谐波特性。研究发现:随着潜体高度增加,二阶自由波透射系数呈现先增大后减小的趋势,而其反射系数则持续增大。同时,随着潜体长度增加,二阶自由波透反射系数均呈现增大的趋势,并最终各自稳定于一定值附近振荡。在布拉格共振条件下,除了普遍认为的自由波,二阶锁定波也将发生共振反射现象;此外,在布拉格共振条件下,周期性地形迎浪侧的二阶谐波波幅会出现“拍”和“寄生拍”的组合现象,使得迎浪侧波浪场更为复杂,并增加极端大波出现的概率。

基于速度势分离法的波物相互作用完全非线性数值模拟

该文基于势流理论和高阶边界元方法,建立了开敞水域波浪与三维物体相互作用的完全非线性数值模型。采用速度势分离技术,将总速度势分离成入射势和散射势,入射势通过理论解给定。采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,引进虚拟函数耦合求解波浪力和运动方程,自由水面网格仅在初始时刻生成一次,随后采用弹簧近似法在不改变网格节点排列的情况下对瞬时水面进行网格重构。利用所建立模型模拟完全非线性波浪对固定圆柱的绕射作用,并对规则浪三倍频作用下漂浮圆柱的共振响应进行了研究。