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原文传递甲板上浪的数值模拟与试验研究

论文题名：	甲板上浪的数值模拟与试验研究
关键词：	甲板上浪;数值模拟;船体运动;波浪冲击;模型试验;非线性;计算流体力学;半潜平台;浮式结构物;浮式生产储油轮;方案;不规则波;网格;动物体;自由液面;载荷;运动响应;运动耦合;线性问题
摘要：	船体和波浪之间的相对运动幅度极大导致水体冲上甲板对结构物造成冲击,这种现象被定义为甲板上浪、甲板淹湿或上浪冲击。一般情况下上浪不会对船体运动和结构产生决定性影响,但是在极端情况下会对船体造成破坏性冲击,例如对甲板上一些暴露出来的易受冲击的敏感设备。很长时间以来,对船舶安全性和操作,甲板上浪都是需要考虑的重要因素。近些年来常有关于上浪事故的报导,发生的对象从集装箱船到海洋浮式结构物不等。　　在恶劣海况下,船体处于生存状态,有关的船体运动、相对的波浪运动和漂移力都明显的是波高的非线性函数。过去对甲板上浪的研究主要集中在模型试验领域。这些广泛的模型试验覆盖了甲板上浪的各个方面,包括干舷高度、水线面下的船艏形状、水线面上的船艏形状、波陡以及甲板的垂向加速度等。为了工程实用,提出了一些快速预报方法来估计甲板上浪问题。然而,近来一些对浮式生产储油轮试验的观察和描述表明,这种做法难以预报上浪的出现和上浪造成的载荷。为了模拟甲板进水现象,利用简化模型如溃坝模型、越浪理论,但是这类方法忽略了甲板内外水体的紧密联结,并不严格。洪水波理论、浅水波模型被用来模拟流体在甲板上的流动,这类方法仅能对浅水在甲板上的流动进行模拟,计算区域也仅限于甲板上。边界元方法也曾用于甲板上浪的模拟,但是该方法对于上浪过程中的波浪冲击、破碎、翻卷等现象无法给出精确和详细的数值模拟。　　用计算流体力学方法精确地模拟上浪过程中的非线性现象将会对理解上浪的机理提供帮助,同时给设计过程提供参考以减小上浪造成的损失。本文采用FLUENT软件中的用户自定义函数功能和动网格功能进行造波和消波,采用流体体积函数法捕捉自由液面,开发了一个数值波浪水池,该水池可以生成规则波浪、按照波谱生成不规则波浪以及生成既定的不规则波波列。文中开展了网格和时间步长试验,力图找到经济精确的网格划分方案和高效的时间步长方案。　　甲板上浪发生时,聚集成团的水体冲上甲板,流动非常复杂,带有极强的非线性特征,势流理论方法不能描述该过程中伴随的波浪破碎和翻卷。数值模拟中详细分析了上浪不同时刻甲板板前剖面处的速度分布。数值模拟中得到的水流运动规律无论在定性上还是定量上都和试验结果相差不多。　　海洋浮式结构物的运动在甲板上浪过程中起着重要作用,模型试验揭示甲板的垂向加速度可以极大地增大上浪载荷。忽略浮式结构物运动的影响将会导致甲板上浪预测结果的误差。船体运动和入射波浪耦合求解的方案也许可以解决这个问题,文中对二维浮动物体在波浪上的运动响应和相伴的甲板上浪现象进行了考察。准确再现了浮动物体在自由液面上的运动响应,同时还兼顾到上浪冲击对浮动物体运动的影响,这使得本文工作区别于以往的基于势流理论求解甲板上浪的方法,对上浪问题的描述也更加全面。　　将研究的范畴扩展到了三维,相关的网格数量超过一百万,网格数量的增加带来了计算量的急剧增加,单颗处理器不能满足计算需要,采用了大规模并行计算技术来解决这一棘手问题。为了减小模型复杂度,没有采用波浪和船体运动耦合的计算方案,计算中船体的运动采用试验数据,这样做的目的是为了着重考察上浪发生时的细节如上浪形态,上浪水产生的冲击载荷以及水体在甲板上的流动。在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行了浮式生产储油轮甲板上浪模型试验,试验采用了一个限定模型运动的机构,该机构限制了船模的纵荡、横荡、横摇以及艏摇运动,保留了船模的升沉和纵摇运动。在试验中使用数码摄像机从不同角度对试验过程进行了记录。与试验结果的比较验证了该计算方案捕捉上浪细节的能力。　　文中总结得到了一个用于求解甲板上浪问题的完整的计算流体力学数值模拟方案,并考察了入射波浪和船体运动耦合状态下的三维自由运动船体的甲板上浪问题,研究中船体顶浪,仅做纵摇和升沉两个方向的运动,模拟得到了比较合理的船体纵摇和升沉运动时历和上浪冲击载荷。　　半潜平台设计过程中需要考虑气隙响应和潜在的波浪冲击,这已是众所周知的问题。大型结构物附近高度非线性的波浪升高使得半潜平台甲板下部和平台立柱附近的波浪爬升很难准确预测。当今的工程预测方法大都依赖于高度简化的模型,即使考虑非线性波浪衍射的程序依然不可避免存在不确定性。平台的气隙问题和甲板上浪问题同属强非线性波物作用问题,具有类似之处。文章考察了不规则波波列环境条件下半潜平台不同位置处的气隙响应、平台立柱附近的波浪爬升。另外还在平台下甲板上设置了压力测量面追踪可能的波浪冲击。　　综合来说本文方法很好地描述了甲板上浪这一复杂的非线性问题,是对甲板上浪问题数值模拟的一个成功尝试。本文的方法还可以扩展应用到水动力学领域其他非线性问题的研究中,如砰击、波浪爬升以及半潜平台的气隙问题等。
作者：	梁修锋
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	杨建民
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文