分享自:

复杂海洋地理环境中超大型浮体水弹性响应的直接耦合分析方法

期刊:journal of hydrodynamicsDOI:10.1007/s42241-019-0047-8

本文档属于类型a,即单篇原创性研究的学术报告。以下是对该研究的详细介绍:


一、作者与发表信息

本研究由Jun Ding(第一作者)、You-sheng Wu(通讯作者)等来自China Ship Scientific Research Center(中国船舶科学研究中心)和Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学)的团队合作完成,发表于Journal of Hydrodynamics(2019年5月,卷31,期3)。研究得到中国国家重点研发计划(2017YFB0202701)、科技部项目(2013CB36102)和工信部项目([2016]22)的资助。


二、学术背景

科学领域与研究动机

研究聚焦于超大型浮式结构物(Very Large Floating Structures, VLFS)在复杂海洋地理环境中的水弹性响应(hydroelastic responses)。VLFS(如浮动机场、海上基地)因尺寸巨大,其固有频率易与波浪频率重叠,导致显著的水弹性效应。传统研究多针对开阔海域,而近岛礁浅海环境中,海底地形不均、岛屿遮蔽效应会显著改变波浪特性,进而影响VLFS的动力响应。因此,开发一种能耦合复杂地理环境与VLFS水弹性分析的方法具有重要工程意义。

研究目标

提出直接耦合分析法(Direct Coupling Analysis Method, DCAM),将三维水弹性理论与浅水波浪理论结合,精确预测近岛礁浅海中VLFS的动态响应,并通过模型试验验证方法的可靠性。


三、研究方法与流程

1. 波浪环境模拟

  • 多尺度波浪模型
    • 大尺度区(Mega-scale):采用Wave Watch III模拟远场深水波浪(基于波浪作用密度平衡理论)。
    • 中尺度区(Middle-scale):基于Boussinesq方程(FUNWAVE软件)模拟波浪在近岸浅水区的折射、绕射和色散。
    • 局部尺度区(Local-scale):通过势流理论或黏性流求解器分析VLFS周围的波浪-结构相互作用。
  • 验证案例:以台风“Kalmaegi”(2014年)过境时的波浪数据为输入,模拟岛屿周边波浪场,与实测浮标数据(P1-P3)对比,波高误差<30%(图3)。

2. 直接耦合分析法(DCAM)

  • 计算域划分
    • 外域(Outer Region):用Boussinesq方程求解波浪演化。
    • 内域(Inner Region):采用时域三维水弹性理论(Rankine源法)分析VLFS响应。
    • 虚拟边界(Imaginary Boundary, (S_c)):通过波高和流速连续性条件耦合内外域。
  • 关键方程
    • 外域控制方程:非线性Boussinesq方程(式1-2),描述波浪在变水深中的传播。
    • 内域控制方程:时域水弹性运动方程(式7),结合模态叠加法(式3)和势流理论(式4-6)。
  • 迭代流程(图5):
    1. 外域求解波浪场,输出虚拟边界上的波高与流速;
    2. 内域以边界条件输入,计算VLFS响应;
    3. 比较内外域边界结果,若误差>阈值(\epsilon),则迭代至收敛。

3. 模型试验验证

  • 研究对象
    • 3模块VLFS(半潜式构型,表2):在大连理工大学波浪水池中测试,模拟真实岛礁地形(图7)。
    • 8模块VLFS(图11):在上海交通大学试验,采用二维斜坡海底和模型岛屿模拟非均匀波浪。
  • 测试内容
    • 运动响应(RAO)与连接器载荷(C1-C13);
    • 连接器刚度模拟:采用弹簧-球铰结构(图7),原型刚度(k_x=k_z=2\times10^9) N/m,(k_y=1\times10^9) N/m。

四、主要结果

  1. 波浪环境验证

    • 台风波浪模拟与实测数据吻合良好(图3),波高衰减比(P1/P2)<0.56,证实岛屿遮蔽效应显著。
  2. 3模块VLFS响应

    • 非均匀海底地形下,模块1运动(垂荡、横摇)和连接器C1载荷的预测与试验结果高度一致(图10)。
    • 对比均匀水深假设,证明海底地形对VLFS响应的显著影响(如低频区运动幅值差异达40%)。
  3. 8模块VLFS响应

    • 非均匀波浪(短峰波)导致连接器载荷分布复杂(图20):
      • 横向力(F_x)由第14阶水平弯曲模态主导;
      • 垂向力(F_z)受第17/19阶扭转模态和第20阶垂向弯曲模态影响。
    • 连接器载荷沿VLFS长度方向变化:中部(F_x)最大,(F_z)无明确规律(图20)。

五、结论与价值

  1. 科学价值

    • DCAM首次实现浅水波浪演化与VLFS水弹性响应的直接耦合,为近岛礁环境下的VLFS设计提供理论工具。
    • 揭示了非均匀波浪和海底地形对VLFS动力响应的关键影响机制。
  2. 应用价值

    • 指导多模块VLFS的连接器刚度优化与系泊系统设计;
    • 支持岛礁基础设施(如浮动港口、能源平台)的安全评估。
  3. 局限性

    • 未考虑台风极端载荷、砰击等非线性效应,需进一步研究。

六、研究亮点

  1. 方法创新:DCAM通过虚拟边界耦合多尺度模型,解决了复杂环境中VLFS响应预测的难题。
  2. 试验验证:两套VLFS模型(3模块与8模块)在不同地形下的测试数据全面验证了方法的普适性。
  3. 工程指导性:明确了连接器载荷的模态贡献规律,为结构优化提供依据。

七、其他价值

  • 研究团队开发的数值代码(如Rankine源求解器)和试验技术(如非均匀地形模拟)可推广至其他海洋工程问题。
  • 数据共享:波浪模拟结果与模型试验数据可为后续研究提供基准案例。
上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com