铅直薄膜浮式防波堤的理论模式

防波堤的主要作用是保护港口、锚船或海洋建筑物等免受巨大入射波的袭击.通常将防波堤划分为固定式结构与浮式结构两大类,本文介绍的浮式防波堤则属后者. 首次正式建造与使用浮式防波堤可以追溯到第二次世界大战.在第二次世界大战的诺曼底(Normandie)登陆期间,英国人成功地应用了浮式防波堤.此后,直到1957年人们对浮式防波堤的研究才又重新活跃起来.     

新型浮式防波堤水动力性能数值研究

针对设计的新型双浮筒+Savinious型(S型)桨叶浮式防波堤的结构形式,基于势波理论和结构耦合水动力分析理论,利用面元积分和Newmark-β时间步进格式进行计算,研究其在线性规则波作用下的消波性能、运动响应和系泊张力响应,验证该结构的合理性。数值计算结果表明,阻尼修正后的防波堤纵摇运动响应合理,在波高H=1.5 m、波浪周期T=3 s下其消浪性能较为理想,透射系数达到0.65,同时系泊线张力呈周期响应并满足最大破断力的条件。此外,还研究了浮筒相对间距S1/L,浮筒—桨叶相对间距S2/L以及Savinious型桨叶高径比d/h三个无量纲关键几何参数对防波堤透射系数Ct和系泊线时域张力响应的影响。计算结果表明,浮筒间距S1越接近波长,防波堤消波性能越好,但迎浪侧张力响应幅值越大;随着浮筒—桨叶相对间距S2/L由0趋近于1,其透射系数随之减小,但迎浪侧张力响应幅值基本保持不变;减小桨叶的高径比d/h可以提高防波堤消波性能的稳定性,但张力响应幅值随之增大。     

双筒双板式浮式防波堤消浪性能研究

浮式防波堤具有对海洋环境友好、施工方便、造价受水深影响小等优点,在海岸工程领域有广阔的应用前景。但受消波效果不稳定、结构易破坏且对锚泊系统要求高等因素的影响,浮式防波堤在实际工程应用中面临较大的挑战。本文采用物理模型试验以及基于OpenFoam的数值模拟方法,对一种由双浮筒、双竖板与水平连接板组成的新型浮式防波堤结构进行消浪性能研究。讨论波浪要素、相对竖板高度、相对水平连接板宽度等因素对双筒双板式浮式防波堤（DCDPFB）消浪性能的影响,分析其周围形成的局部涡量与速度场变化,确定相对最优的结构尺寸。结果表明,相对水平连接板宽度、相对竖板高度和半圆柱体尺寸是影响DCDPFB消浪性能的关键因素;波高与入水深度对透射系数的影响较小;DCDPFB周围形成的局部涡量与速度场变化是耗散波浪能量的重要因素;按照相对最优结构尺寸建造的DCDPFB试验段,在海上原型试验中表现出良好的消波性能。     

双浮箱式浮式防波堤消浪性能试验研究

浮式防波堤在港口海岸工程、近海工程、海洋工程和水产养殖等诸多领域有广阔的应用前景。与单浮箱式浮式防波堤相比,多浮箱式浮式防波堤可提高其消浪性能。对双浮箱式浮式防波堤进行了二维波浪物理模型试验,分析了浮箱宽度、前后浮箱连接方式、前后浮箱间距以及浮箱入水深度等因素对浮式防波堤消浪性能的影响。研究结果表明:对于单浮箱式浮式防波堤,试验范围内浮箱宽度增大一倍后消浪效果改善并不相对明显;前后浮箱刚性连接的双浮箱式浮堤的波浪透射系数均小于前后浮箱自由的双浮箱式浮堤和相同浮箱宽度的单浮箱式浮堤,浮堤消浪性能提高;由于前后浮箱相对间距太大时前后浮箱的相互作用减弱,浮堤的波浪反射系数变小,而不同前后浮箱相对间距的波能损耗系数整体上差别较小,双浮箱式浮堤的波浪透射系数整体上随着前后浮箱相对间距D/2B的增大先减小然后变大,在相对间距D/2B为1.0~1.5时双浮箱式浮堤的波浪透射系数相比最小;不同波高和波浪周期下,浮堤的波浪透射系数均随着浮箱相对入水深度的增大而减小。     

浮式防波堤非线性波浪力实验研究

对浮式防波堤在不同吃水深度、周期、波高和入射波波型情况，进行了波浪对浮式防波堤非线性作用力的研究，给出了有关实验结果。实验结果表明波浪力在周期较大时，随着波高的增加，出现一阶力减小、高阶力增大的强非线性现象。实验中出现了二阶力大于一阶力的现象，也出现了三阶力大于二阶力和一阶力的现象。     

矩形浮式防波堤的改进试验研究

本文在前一阶段几种浮式防波堤水力学特性试验研究的基础上,吸取国内外现有浮堤研制经验,又提出了几种经过改进的矩形浮式防波堤进行了规则波试验,测取了堤前与堤后波高,观测了浮堤的运动,并测取了浮堤的锚链力。试验比较了矩形浮堤前壁封口与开口,外部上设胸墙,下设挡浪板或瓦楞底板,浮堤内部用左右对称的边浮箱,该箱体采用矩形或尖劈形,试验还比较了不同于弦高度与吃水,使浮堤平放或前倾,浮堤采取错系或用立柱阻挡,分别研究了这些浮堤的水力特性,从中选出浮堤的最佳结构形式。     

两种型式的波能装置-浮式防波堤水动力性能比较研究

波能装置-浮式防波堤是将浮式防波堤与波能转换装置集成,兼具防波消浪和捕获波浪能的集成装置,能够有效降低单一功能波能转换装置的成本。研究者们提出了许多波能装置-浮式防波堤的结构型式,其中非对称式浮体结构相比于对称式浮体结构,在单向入射波的水动力性能方面拥有一定的优势。本文针对导桩锚泊的非对称式方箱-三角形挡浪板和方箱-垂直挡浪板两种浮体结构型式,通过数值模拟的方式,对比分析其水动力特性和波能俘获特性。数值模型基于黏性流体理论,以Navier-Stokes方程为控制方程,并采用VOF方法和浸没边界法求解自由面边界和流固耦合作用,探究不同入射波周期、水深和浮体排水条件下集成装置水动力性能（消波特性、能量耗散特性和波能俘获特性）变化趋势。结果表明,在近岸波浪条件下（5～8 s）,垂直挡板型式集成装置适用于较小周期波浪（5～6 s）,而三角挡板型式集成装置适用于较大周期波浪（6～7.5 s）。随着水深增大,波能俘获比总体上呈现缓慢增长的趋势。在主浮体吃水相同的情况下（排水量不同）,两种结构的透射系数基本一致;而在排水量相同（主浮体吃水不同）的情况下,垂直挡板结构型式的防波效果更好,三角挡板结构型...     

带空气透平的后弯管浮式防波堤实验研究

针对海工作业平台、海洋养殖网箱等海洋装备的安全防护问题,提出了一种带空气透平的后弯管浮式防波堤,该空气透平既可将作用在防波堤上的波浪能转化成机械能并用于发电,还可显著减小防波堤的锚链力。在介绍了防波堤原理和结构特点的基础上,设计了物理实验模型,并在实验室造波池内进行了模型试验,研究了波浪周期、波高、吃水深度与弯管数量等因素对后弯管浮式防波堤透射系数和锚链力的影响规律。研究结果表明,波浪周期越短,波高越低,防波堤的透射系数越小,锚 链力越小,其消波性能优于传统的浮式防波堤.     

浮式塔的动力计算

采用频域二阶摄动法研究了浮式塔在给定环境条件下的动力响应.计算了浮式塔在不规则波上的一阶运动响应函数和运动谱以及张力谱,同时进行了相应的模型试验.由结果的比较可以看出,试验结果与理论方法计算得到的结果吻合较好.计算结果表明,波浪的二阶作用对浮式塔的低频纵荡有影响.计算结果与试验结果的比较说明频域二阶摄动法可以用于浮式塔的动力分析.     

管式透空防波堤反射系数的计算

本文从规则波的研究入手,基于反射波与入射波势函数线性叠加的概念,利用积分形式的流量连续性条件来处理透空堤面上的间断边界条件,确定了规则波与管式透空堤相互作用时的反射系数。在此基础上,利用线性海浪谱的概念,分析了海浪与管式透空堤的相互作用问题。通过对模型试验结果的分析表明,本文提出的理论与实验结果符合良好。     

波浪作用下方箱-水平板浮式防波堤时域水动力分析

在线性化势流理论范围内求解方箱-水平板浮式防波堤的波浪绕射和辐射问题,从时域角度分析了浮式防波堤的水动力特性.采用格林函数法将速度势定解问题的控制微分方程变换成边界上的积分方程进行数值求解,浮式防波堤的运动方程采用四阶Runge-Kutta方法求解.对不同层数水平板的浮式防波堤的波浪透射系数、运动响应和锚链受力进行了计算分析,结果表明方箱相对宽度对方箱-水平板浮式防波堤的波浪透射作用有重要的影响,透射系数随着方箱相对宽度的增加而减小.对于方箱加二层水平板的浮式防波堤,在本研究的计算条件下,当方箱相对宽度从0.110增加至0.295时,透射系数从0.88减小至0.30.水平板有利于增加浮式防波堤对波浪的衰减作用,但随着水平板层数从0增加至2,这种波浪衰减作用增加的程度趋弱.方箱-水平板的浮式防波堤的运动量小于单一方箱防波堤的运动量.与此对应,方箱-水平板防波堤的锚链受力小于单一方箱防波堤的锚链受力.     

波浪作用下锚链系泊浮式防波堤动力响应的数值模型研究

浮式防波堤充分利用波能在水深方向的分布特性,在满足工程消浪要求的同时对海域水沙交换影响较小,且能够快速布置,在某些实际工程有一定应用前景。为了深入了解波浪作用下浮式防波堤的动力响应,基于OpenFOAM标准求解器olaFlow,在刚体运动求解计算中植入锚链求解模块MOODY(mooring cable dynamics),实现了基于重叠网格方法的浮体运动与锚链受力耦合求解,建立了锚链系泊浮式防波堤动力响应的二维数值模型。利用该数值模型对锚链系泊单方箱浮式防波堤在波浪作用下的透射系数、运动响应、锚链张力进行了模拟,并和相关试验结果进行了比较。结果表明,模型能够准确模拟二维波浪和浮式防波堤的相互作用,并用于三维模型的改进。     

浮式生产储油船船体疲劳计算

船体结构的疲劳问题一直是船舶设计者十分关注的问题，特别是高强度钢在船体结构中的广泛使用，使船体结构的疲劳破坏问题更加突出。本文以一大型浮式生产储油船（Floating Production and Storage and Offilading)为例，系统地介绍了一种基于S－N曲线和Miner线性疲劳累积损伤原理，计算船体在局部结构应力热点处的疲劳寿命。该方法考察了船舶运营期内的实际工况和海况条件，船体局部应力热点的焊接情况，几何形状，受载形式以及尺寸效应等因素。计算中借助了DNV船级社的SESAM程序系统的部分模块。     

直立浮式柱群波浪荷载计算

为了研究类似张力腿平台（ＴＬＰ）等海洋工程结构物的运动,浮式直立柱群的波浪荷载计算是十分重要的。应用匹配渐进和特征函数展开法得到单柱流场速度势的半解析解,再引入大间距假设,将柱群中某一柱体对其它柱体的扰动作用用平面入射波来代替。同时对该问题进行了非平面波修正,计入柱间水动力相互作用,解决了柱群的绕射问题。应用该方法计算了不同条件下的双柱波浪荷载的幅频特征。     

基于可靠度理论的防波堤设计方法

文中综合了不规则波试验和统计分析的结果,提出一个以可靠度理论为基础的新的直立式防波堤设计方法。频率分析表明,对数正态和极值Ⅰ型[耿贝尔(Gumbel)]分布可用来描述直立堤上波浪力的长期分布。     

直立式防波堤迎浪面波压力计算研究

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,由连续性方程和动量方程推导出源函数。基于非线性波浪理论和UDF对FLUENT进行二次开发,在数值水槽的各个功能区将不同的源项添加到动量方程中,实现动量源造波和消波的功能。此法可以有效地消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,从而得到稳定的波动场。本文将这种方法应用于直墙防波堤上波浪压力的数值模拟,分析了造波和消波的有效性,对直立式防波堤波浪力进行了数值研究。为了得到更精确的结果,采用结构化网格和非结构化网格相结合,在直墙防波堤附近使用三角形网格,在其他区域使用四边形结构化网格,为了较好地捕捉自由液面,在液面上下一个波高的范围内对网格进行加密。将计算结果与二阶stokes波理论解进行对比,该方法计算结果与理论解一致,表明该方法能够产生历时较长的稳定的非线性规则波浪,能够很好地吸收波浪遇到建筑物产生的反射波,可以有效消除建筑物反射波的影响,为实际工程方案的设计提供参考,有较高的实用价值。通过计算得到极端高水位,设计高水位,设计低水位时候的各个测点的最大正向波压力和最大负向波压力,并将计算结果与物理模型试验数据和经验公式结果进行对比,结果吻合较好。并且由于该数值方法可以考虑防波堤迎浪面不同倾角的工况,其适应范围比经验公式范围更广,因此可以为海岸结构设计提供依据。     

浮式风机一体化模拟的计算参数设置影响研究

随着海上浮式风机的大型化发展，针对漂浮式风机的一体化耦合分析越来越重要。本文利用Simo-Riflex-Aerodyn 仿真工具建立OC4-Deepcwind 漂浮式风机一体化耦合模型，分析计算时间步长、初始截断时间、弹性结构单元离散数等计算参数对模拟结果的影响，包括浮式基础运动、系缆张力、叶片受力等。结果表明：当计算时间步长为0.005 s、0.01 s、0.02 s 时，浮式风机的响应结果差别较小，而计算消耗时间相差较大，0.01 s、0.02 s 的计算时间分别是0.005 s的70%、37%。相同工况下，不同参量响应达到稳定所需时间不同，纵荡需要的时间较长，最长达200 s；不同工况下，同一参量达到稳定所需时间也不相同，切出工况需要的时间最短，较额定工况快约60 s。结构单元离散数对塔柱受力影响较小，对叶片变形影响相对明显，当叶片离散数目减小时，响应值增大12%。实际中应根据具体工况选择合理的计算时间步长、初始截断时间和弹性结构单元离散数量。     

浮式钻井平台钻具卡点深度计算分析

自升式平台的转盘面相对井眼是固定不变的,而浮式平台受风浪潮涌等影响,相对井筒上下浮动,尤其是在钻具卡钻时超拉或钻具下压相当于平台载荷瞬间改变,平台会上下起伏,这样在超拉计算卡点时测量钻柱伸长量和实际卡点深度相差甚远。为了消除因平台上下浮动的影响,根据物理学原理详细阐述了浮式平台卡点深度超拉计算方法。此方法能较准确的计算出浮式平台卡钻时钻柱卡点,在计算卡点深度上有很好的借鉴意义。     

集成波能转换功能的方箱—挡浪板式浮式防波堤水动力特性研究

浮式防波堤与振荡浮子式波浪能转换装置集成是一种较为合理的波浪能开发利用方式,基于方箱式浮式防波堤—波浪能转换集成系统和幕帘式防波堤的研究成果,提出了一种新型方箱—垂直挡浪板式浮式防波堤—波浪能转换集成系统,建立数学模型对该集成系统的水动力特性和能量输出特性进行研究。模型基于N-S方程,采用紧致插值曲线(CIP)方法结合浸没边界法(IBM)求解。运用数值模型探究在一定波浪条件下,动力输出系统(PTO)阻尼力的大小以及挡浪板对集成系统的水动力特性和能量转换特性的影响,得到如下结论:集成系统的俘获宽度比随PTO阻尼力的增大呈现先增大后减小的趋势,在阻尼力F_(PTO)=150 N时达到最大;相对于方箱型集成系统,增设0.1 m挡浪板后可使其最大俘获宽度比η_e提高33%左右;此外,集成系统的俘获宽度比随挡浪板长度增加而增大,增长趋势逐渐变缓,在挡浪板长度S_p=0.5 m时达到最大,此时俘获宽度比η_e=0.563 1。