甲板上浪的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、船體和波浪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度極大導(dǎo)致水體沖上甲板對(duì)結(jié)構(gòu)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(huì)對(duì)船體運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生決定性影響,但是在極端情況下會(huì)對(duì)船體造成破壞性沖擊,例如對(duì)甲板上一些暴露出來的易受沖擊的敏感設(shè)備。很長(zhǎng)時(shí)間以來,對(duì)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(guān)于上浪事故的報(bào)導(dǎo),發(fā)生的對(duì)象從集裝箱船到海洋浮式結(jié)構(gòu)物不等。
　　 在惡劣海況下,船體處于生存狀態(tài),有關(guān)

2、的船體運(yùn)動(dòng)、相對(duì)的波浪運(yùn)動(dòng)和漂移力都明顯的是波高的非線性函數(shù)。過去對(duì)甲板上浪的研究主要集中在模型試驗(yàn)領(lǐng)域。這些廣泛的模型試驗(yàn)覆蓋了甲板上浪的各個(gè)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(shí)用,提出了一些快速預(yù)報(bào)方法來估計(jì)甲板上浪問題。然而,近來一些對(duì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪試驗(yàn)的觀察和描述表明,這種做法難以預(yù)報(bào)上浪的出現(xiàn)和上浪造成的載荷。為了模擬甲板進(jìn)水現(xiàn)象,利用簡(jiǎn)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(jié),并不嚴(yán)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(dòng),這類方法僅能對(duì)淺水在甲板上的流動(dòng)進(jìn)行模擬,計(jì)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(duì)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(xì)的數(shù)值模擬。
　　 用計(jì)算流體力學(xué)方法精確地模擬上浪過程中的非線性現(xiàn)象將會(huì)對(duì)理解上浪的機(jī)理提供幫助,同時(shí)給設(shè)計(jì)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(dòng)網(wǎng)格功能進(jìn)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(gè)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(shí)間步長(zhǎng)試驗(yàn),力圖找到經(jīng)濟(jì)精確的網(wǎng)格劃分方案和高效的時(shí)間步長(zhǎng)方案。
　　 甲板上浪發(fā)生時(shí),聚集成團(tuán)的水體沖上甲板,流動(dòng)非常復(fù)雜,帶有極強(qiáng)的非線性特征,勢(shì)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(xì)分析了上浪不

5、同時(shí)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(yùn)動(dòng)規(guī)律無論在定性上還是定量上都和試驗(yàn)結(jié)果相差不多。
　　 海洋浮式結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)在甲板上浪過程中起著重要作用,模型試驗(yàn)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(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)的影響將會(huì)導(dǎo)致甲板上浪預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差。船體運(yùn)動(dòng)和入射波浪耦合求解的方案也許可以解決這個(gè)問題,文中對(duì)二維浮動(dòng)物體在波浪上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和相伴的甲板上浪現(xiàn)象進(jìn)行了考察。準(zhǔn)確再現(xiàn)了浮動(dòng)物體在自由液面上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

6、,同時(shí)還兼顧到上浪沖擊對(duì)浮動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的影響,這使得本文工作區(qū)別于以往的基于勢(shì)流理論求解甲板上浪的方法,對(duì)上浪問題的描述也更加全面。
　　 將研究的范疇擴(kuò)展到了三維,相關(guān)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(jì)算量的急劇增加,單顆處理器不能滿足計(jì)算需要,采用了大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)來解決這一棘手問題。為了減小模型復(fù)雜度,沒有采用波浪和船體運(yùn)動(dòng)耦合的計(jì)算方案,計(jì)算中船體的運(yùn)動(dòng)采用試驗(yàn)數(shù)據(jù),這樣做的目的是為了著重考察上浪發(fā)生時(shí)的細(xì)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(dòng)。在上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪甲板上浪模型試驗(yàn),試驗(yàn)采用了一個(gè)限定模型運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)限制了船模的縱蕩、橫蕩、橫搖以及艏搖運(yùn)動(dòng),保留了船模的升沉和縱搖運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)中使用數(shù)碼攝像機(jī)從不同角度對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了記錄。與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了該計(jì)算方案捕捉上浪細(xì)節(jié)的能力。
　　 文中總結(jié)得到了一個(gè)用于求解甲板上浪問題的完整的計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方案,并考察了

8、入射波浪和船體運(yùn)動(dòng)耦合狀態(tài)下的三維自由運(yùn)動(dòng)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(gè)方向的運(yùn)動(dòng),模擬得到了比較合理的船體縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)歷和上浪沖擊載荷。
　　 半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中需要考慮氣隙響應(yīng)和潛在的波浪沖擊,這已是眾所周知的問題。大型結(jié)構(gòu)物附近高度非線性的波浪升高使得半潛平臺(tái)甲板下部和平臺(tái)立柱附近的波浪爬升很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。當(dāng)今的工程預(yù)測(cè)方法大都依賴于高度簡(jiǎn)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