甲板上浪的數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、船體和波浪之間的相對運動幅度極大導致水體沖上甲板對結構物造成沖擊,這種現(xiàn)象被定義為甲板上浪、甲板淹濕或上浪沖擊。一般情況下上浪不會對船體運動和結構產(chǎn)生決定性影響,但是在極端情況下會對船體造成破壞性沖擊,例如對甲板上一些暴露出來的易受沖擊的敏感設備。很長時間以來,對船舶安全性和操作,甲板上浪都是需要考慮的重要因素。近些年來常有關于上浪事故的報導,發(fā)生的對象從集裝箱船到海洋浮式結構物不等。
　　 在惡劣海況下,船體處于生存狀態(tài),有關

2、的船體運動、相對的波浪運動和漂移力都明顯的是波高的非線性函數(shù)。過去對甲板上浪的研究主要集中在模型試驗領域。這些廣泛的模型試驗覆蓋了甲板上浪的各個方面,包括干舷高度、水線面下的船艏形狀、水線面上的船艏形狀、波陡以及甲板的垂向加速度等。為了工程實用,提出了一些快速預報方法來估計甲板上浪問題。然而,近來一些對浮式生產(chǎn)儲油輪試驗的觀察和描述表明,這種做法難以預報上浪的出現(xiàn)和上浪造成的載荷。為了模擬甲板進水現(xiàn)象,利用簡化模型如潰壩模型、越浪理論,

3、但是這類方法忽略了甲板內(nèi)外水體的緊密聯(lián)結,并不嚴格。洪水波理論、淺水波模型被用來模擬流體在甲板上的流動,這類方法僅能對淺水在甲板上的流動進行模擬,計算區(qū)域也僅限于甲板上。邊界元方法也曾用于甲板上浪的模擬,但是該方法對于上浪過程中的波浪沖擊、破碎、翻卷等現(xiàn)象無法給出精確和詳細的數(shù)值模擬。
　　 用計算流體力學方法精確地模擬上浪過程中的非線性現(xiàn)象將會對理解上浪的機理提供幫助,同時給設計過程提供參考以減小上浪造成的損失。本文采用FLU

4、ENT軟件中的用戶自定義函數(shù)功能和動網(wǎng)格功能進行造波和消波,采用流體體積函數(shù)法捕捉自由液面,開發(fā)了一個數(shù)值波浪水池,該水池可以生成規(guī)則波浪、按照波譜生成不規(guī)則波浪以及生成既定的不規(guī)則波波列。文中開展了網(wǎng)格和時間步長試驗,力圖找到經(jīng)濟精確的網(wǎng)格劃分方案和高效的時間步長方案。
　　 甲板上浪發(fā)生時,聚集成團的水體沖上甲板,流動非常復雜,帶有極強的非線性特征,勢流理論方法不能描述該過程中伴隨的波浪破碎和翻卷。數(shù)值模擬中詳細分析了上浪不

5、同時刻甲板板前剖面處的速度分布。數(shù)值模擬中得到的水流運動規(guī)律無論在定性上還是定量上都和試驗結果相差不多。
　　 海洋浮式結構物的運動在甲板上浪過程中起著重要作用,模型試驗揭示甲板的垂向加速度可以極大地增大上浪載荷。忽略浮式結構物運動的影響將會導致甲板上浪預測結果的誤差。船體運動和入射波浪耦合求解的方案也許可以解決這個問題,文中對二維浮動物體在波浪上的運動響應和相伴的甲板上浪現(xiàn)象進行了考察。準確再現(xiàn)了浮動物體在自由液面上的運動響應

6、,同時還兼顧到上浪沖擊對浮動物體運動的影響,這使得本文工作區(qū)別于以往的基于勢流理論求解甲板上浪的方法,對上浪問題的描述也更加全面。
　　 將研究的范疇擴展到了三維,相關的網(wǎng)格數(shù)量超過一百萬,網(wǎng)格數(shù)量的增加帶來了計算量的急劇增加,單顆處理器不能滿足計算需要,采用了大規(guī)模并行計算技術來解決這一棘手問題。為了減小模型復雜度,沒有采用波浪和船體運動耦合的計算方案,計算中船體的運動采用試驗數(shù)據(jù),這樣做的目的是為了著重考察上浪發(fā)生時的細節(jié)如

7、上浪形態(tài),上浪水產(chǎn)生的沖擊載荷以及水體在甲板上的流動。在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行了浮式生產(chǎn)儲油輪甲板上浪模型試驗,試驗采用了一個限定模型運動的機構,該機構限制了船模的縱蕩、橫蕩、橫搖以及艏搖運動,保留了船模的升沉和縱搖運動。在試驗中使用數(shù)碼攝像機從不同角度對試驗過程進行了記錄。與試驗結果的比較驗證了該計算方案捕捉上浪細節(jié)的能力。
　　 文中總結得到了一個用于求解甲板上浪問題的完整的計算流體力學數(shù)值模擬方案,并考察了

8、入射波浪和船體運動耦合狀態(tài)下的三維自由運動船體的甲板上浪問題,研究中船體頂浪,僅做縱搖和升沉兩個方向的運動,模擬得到了比較合理的船體縱搖和升沉運動時歷和上浪沖擊載荷。
　　 半潛平臺設計過程中需要考慮氣隙響應和潛在的波浪沖擊,這已是眾所周知的問題。大型結構物附近高度非線性的波浪升高使得半潛平臺甲板下部和平臺立柱附近的波浪爬升很難準確預測。當今的工程預測方法大都依賴于高度簡化的模型,即使考慮非線性波浪衍射的程序依然不可避免存在不確