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系泊载液浮体水动力特性的数值及试验研究

系泊载液浮体水动力特性的数值及试验研究

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作者：于含大连理工大学

学位级别：硕士

浮式结构作为港口和海洋工程建设中的重要结构形式,一直受到人们的关注。其中,载液浮体是一类应用广泛的海上浮式结构,例如浮式生产储卸油装置(FPSO),LNG及LPG运输船等。近些年来,随着人们对海洋资源开发的进一步深入,载液浮体的工程应... 详细信息

浮式结构作为港口和海洋工程建设中的重要结构形式,一直受到人们的关注。其中,载液浮体是一类应用广泛的海上浮式结构,例如浮式生产储卸油装置(FPSO),LNG及LPG运输船等。近些年来,随着人们对海洋资源开发的进一步深入,载液浮体的工程应用范围又有了新的拓展,例如海上浮式储油舱,深海半潜养殖浮箱等。与传统的浮式结构类似,海上风浪会激励载液浮体产生运动。额外地,浮体运动可激励内部液体发生晃荡,这将对结构的水动力特性产生影响。由于载液浮体受外部波浪和内部液体晃荡的联合作用,预测它在不同波况下的运动响应非常困难。若载液浮体进一步受到锚泊系统的约束,该问题将变的更加复杂。现阶段亟待开展对于系泊载液浮体的水动力特性研究,保证其在不同海况条件下的结构安全,拓展它在海洋工程中的应用范围。为了分析系泊载液浮体在波浪作用下的水动力特性,本文基于有限体积方法和VOF方法,建立了可考虑浮体内外流场与浮体自身运动耦合作用的粘性流数值波浪水槽模型。应用该数学模型,本文对一种典型的系泊载液浮体结构开展了数值模拟研究。此外,本文在实验室的波浪水槽内开展了物理模型试验,研究了该结构在不同相对宽度、不同波高条件下的水动力特性和锚链约束力,分析了液体晃荡和系泊锚链刚度对其水动力特性的影响。物理模型试验也为本文建立的数学模型提供了基础验证数据。在建立数学模型的过程中,本文遵循了由简单到复杂的研究路线。首先,本文将前人建立的数值波浪水槽模型与动网格技术结合,实现了用网格法描述自由漂浮结构的较大幅度运动。在浮体运动计算方面,本文开发了基于多次迭代计算的强流固耦合计算模型,有效解决了多自由度运动求解过程中发生的数值计算不稳定现象。进一步地,基于集中质量法的基本原理,本文开发了悬链线形式锚链的约束力求解模型。最后,本文通过压力积分的方式求解作用于浮体结构上的流体力与力矩,将外部波浪与内部液体晃荡的作用统一为外力成分参与运动方程计算,实现了对波浪联合液体晃荡作用下系泊浮体运动这一复杂流固耦合问题的求解。在数学模型的建立过程中,本文先后模拟了自由漂浮方箱、系泊非载液浮体及系泊载液浮体与非线性波浪的相互作用。通过与物理模型试验结果的对比,本文验证了改进后数学模型的准确性。最后,应用经过验证的数学模型,本文在数值波浪水槽内开展了具有不同液舱划分形式的系泊载液浮体与波浪相互作用的数值模拟研究,从浮体的运动响应、锚泊系统约束力等方面,分析了内部划分多个子液舱后系泊载液浮体结构的水动力特性变化情况。

关键词：载液浮体数值模拟物理模型试验水动力特性

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