紀(jì)仁瑋,朱仁慶,楊 帆,陳旭東,劉 星
(江蘇科技大學(xué) 船海學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
隨著船舶制造和運(yùn)輸行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,單一的海洋浮式結(jié)構(gòu)物已無法滿足開發(fā)生產(chǎn)的實(shí)際需求,全世界將面臨更多有關(guān)于多浮式結(jié)構(gòu)協(xié)同作業(yè)的問題。相比于單一作業(yè)的浮式結(jié)構(gòu),多浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)間的強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合以及耦合共振問題極其明顯和復(fù)雜。如浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)、浮式液化天然氣系統(tǒng)(Floating Liquefied Natural Gas System,F(xiàn)LNG)、超大型浮體(Very Large Floating Structures,VLFS)等,這些皆稱為海洋浮式結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些海洋浮式結(jié)構(gòu)在海上輸運(yùn)/駁運(yùn)作業(yè)時(shí),運(yùn)輸駁船與其組成了相對(duì)復(fù)雜的多浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在某些海況下,多浮式結(jié)構(gòu)之間會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重影響海上作業(yè)安全性和穩(wěn)定性的強(qiáng)耦合作用情況,如何有效預(yù)報(bào)和評(píng)估海洋浮式結(jié)構(gòu)在海上作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能與結(jié)構(gòu)可靠性,是最近幾年船舶與海洋工程領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
旁靠系泊由于窄縫距離小、管路易于布置等優(yōu)點(diǎn),有著廣泛的應(yīng)用。但兩浮式結(jié)構(gòu)之間狹小的距離使旁靠系統(tǒng)對(duì)海況的敏感度很大:每個(gè)單一浮式結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的作用也可能會(huì)對(duì)其他浮式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;某些局部波浪會(huì)產(chǎn)生放大或遮掩效應(yīng)。尤其是窄縫間流場(chǎng)發(fā)生流體共振時(shí),流場(chǎng)的強(qiáng)非線性會(huì)變得極其明顯,這使得預(yù)報(bào)和評(píng)估多浮式結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、流場(chǎng)分布以及受到的水動(dòng)力變得相當(dāng)困難。
目前主要通過理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)3個(gè)方面來研究多浮式結(jié)構(gòu)間的流場(chǎng)分布以及水動(dòng)力耦合問題。本文在入射波浪為線性規(guī)則波,浮體近場(chǎng)的波浪運(yùn)動(dòng)為完全非線性,暫不考慮結(jié)構(gòu)變形和液艙晃蕩影響的前提下,對(duì)波浪作用下兩固定浮式結(jié)構(gòu)窄縫間流場(chǎng)(旁靠問題)的水動(dòng)力相互作用開展數(shù)值模擬方面的研究,對(duì)比探究不同波浪周期(波浪頻率)、不同窄縫間距對(duì)窄縫間流場(chǎng)的影響,其次對(duì)不同模型參數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比探究。最終通過對(duì)比分析不同工況下窄縫間流場(chǎng)的波面升高,對(duì)兩固定浮式結(jié)構(gòu)窄縫間流場(chǎng)的水動(dòng)力共振現(xiàn)象作出初步預(yù)測(cè)。
假設(shè)流體為粘性且不可壓縮,同時(shí)滿足質(zhì)量守恒的連續(xù)方程和動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程。
1)連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)
Euler型連續(xù)性方程的微分表達(dá)式如下:
2)動(dòng)量守恒方程(N-S方程)
動(dòng)量守恒方程是所有流體運(yùn)動(dòng)都必須滿足的方程。最早由Navier于1827年提出,當(dāng)時(shí)只考慮流體不可壓縮。而后進(jìn)過多年的不斷發(fā)展,在1831年P(guān)ossion提出了可壓流體的運(yùn)動(dòng)方程。隨后在1843年和1845年,Saint-Venant和Stokes分別提出將粘性系數(shù)看作常數(shù)的運(yùn)動(dòng)方程。
在FINE/Marine軟件計(jì)算過程中引入湍流模型(如k-ε模型,k-w模型等)即可求解粘性流體的湍流流動(dòng)相關(guān)問題。
對(duì)于實(shí)際工程問題,計(jì)算之前需要對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,離散方法分為有限元法、有限差分法以及有限體積法。有限體積法,作為CFD領(lǐng)域使用最為廣泛的離散方法之一,可視作有限元法和有限差分法的中間產(chǎn)物。
對(duì)于動(dòng)量方程和湍流方程的離散方法,F(xiàn)INE/Marine軟件中的離散格式有:GDS、UPWIND、HYBRID、CENTERED、AVLSMART和BLENDED等。對(duì)于動(dòng)量方程和湍流方程,本文在FINE/Marine里運(yùn)用基于有限體積法的AVLSMART離散格式對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散處理海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)問題。在FINE/Marine中有壓力、速度分量、速度通量、矯正量、湍流頻率、湍動(dòng)能以及氣水質(zhì)量的欠松弛因子可用于求解器加速收斂的參數(shù)。
在船舶與海洋工程的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)發(fā)展過程中,對(duì)自由液面計(jì)算的研究一直是個(gè)難題。
早期的自由液面數(shù)值計(jì)算,主要采用勢(shì)流理論方法,但無法準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)尾部流動(dòng),隨后在基于RANS方法求解時(shí)采用歐拉模型中的MAC法和VOF法,VOF方法是通過流體占據(jù)網(wǎng)格單元體積比例以追蹤自由液面的方法。較于MAC方法,VOF法具有計(jì)算時(shí)間短、存儲(chǔ)量小、邊界條件易處理、便于編制計(jì)算程序等優(yōu)點(diǎn)。
VOF方法的基本原理如下:
假設(shè)第q種流體在單元中體積分?jǐn)?shù)是αq,因此存在3種可能:
1)αq=0表示在單元中第q種流體的含量為0;
2)αq=1表示在單元中充滿了第q種流體;
3)0<αq<1表示在單元中存在著不同流體交界面。流體之間的交界面可以利用體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程來確定,對(duì)第q種流體有:
各種流體的體積分?jǐn)?shù)滿足以下公式:
式中:u為x方向速度分量;w為z方向速度分量。
需要注意的是,在每個(gè)單元中物理量都由單元中的所有分相的體積加權(quán)平均值決定,例如單元中流體的密度表示為:
其他流體特性(如粘性等)也可用類似方法計(jì)算得到。
VOF法追蹤自由液面雖然取得了一定的進(jìn)步,但是仍無法滿足實(shí)際工程的需求,并不能很好地處理像波浪破碎這樣復(fù)雜地自由液面變化特征,從而無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在風(fēng)浪流中的運(yùn)動(dòng)特性和水動(dòng)力特性。針對(duì)這些問題,在本次研究中對(duì)于波浪自由液面的處理方法,F(xiàn)ine/Marine軟件采用基于全六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)求解粘性雷諾數(shù)平均方程的自由液面捕捉法。采用該自由液面捕捉法將空氣和水作為單一流體同時(shí)計(jì)算,該單一流體的特性(密度ρ,粘性系數(shù)υ)在空間的變化取決于構(gòu)成函數(shù)c。
通過求解以下運(yùn)動(dòng)方程來確定構(gòu)成函數(shù)c:
式中:V為控制體;S為圍成控制體的面積;U為速度;Ud為S上n方向的速度。
與其他文獻(xiàn)普遍采用的自由液面跟蹤法相比,該自由液面捕捉法具有更好的靈活性與適應(yīng)性,可較好地處理破碎波等復(fù)雜的自由液面。本文的自由液面捕捉采用BRICS離散格式,可壓縮型離散格式BRICS可以減小自由液面附近構(gòu)成函數(shù)的數(shù)值擴(kuò)散,可以有效地減小自由液面模擬的數(shù)值耗散誤差。
水波問題的基本方程和邊界條件如下:
研究選用2個(gè)相同的DTMB5415模型作為兩固定浮式結(jié)構(gòu)的幾何模型。該船模為國(guó)際船模水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算會(huì)議的標(biāo)模,模型的主要參數(shù)如表1所示。
表 1 浮式結(jié)構(gòu)模型(DTMB5415船模)的主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the floating structure model(DTMB5415 ship model)
本次對(duì)比分析采用控制變量法,通過改變波浪參數(shù)以及數(shù)值模型之間距離的大小,對(duì)比探究不同參數(shù)對(duì)窄縫間流場(chǎng)的影響,并對(duì)窄縫間流場(chǎng)的水動(dòng)力共振問題進(jìn)行規(guī)律探索。
模型間距為0.06 m時(shí),共3種工況:波浪周期分別為0.506 s,0.716 s以及1.012 s,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為0.4 m,0.8 m以及1.6 m;間距為0.12 m時(shí),共4種工況:波浪周期分別為0.566 s,0.8 s,1.132 s以及1.389 s,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為0.5 m,1 m,2 m以及3 m;間距為0.24 m時(shí),共3種工況:波浪周期分別為0.62 s,0.877 s以及1.24 s,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為0.6 m,1.2 m以及2.4 m。
窄縫間距(0.06 m)、波高(0.02 m)以及水深(1.5 m)相同,選取波長(zhǎng)為0.4 m,0.8 m以及1.6 m三種工況,分別對(duì)應(yīng)波浪周期0.506 s,0.716 s以及1.012 s,對(duì)比分析各自窄縫間流場(chǎng)。選取典型時(shí)刻,以上3種工況對(duì)應(yīng)的波面升高如圖1~圖3所示。
圖 1 波浪周期為0.506 s,T=3.9 s~T=4.3 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 1 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 0.506 s and T=3.9 s T=4.3 s in the wave period
圖 2 波浪周期為0.716 s,T=6.3 s~T=6.7 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 2 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 0.716s and T=6.3 s T=6.7 s in the wave period
圖 3 波浪周期為1.012 s,T=4.0 s~T=4.4 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 3 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 1.012 s and T=4.0 s T=4.4 s in the wave period
分析以上波面升高圖,可以得出以下結(jié)論:
1)在波浪周期為0.506 s的工況下,當(dāng)入射波波峰(波谷)傳播到窄縫入口約1/10~1/9船長(zhǎng)處時(shí),波幅增大。當(dāng)波浪在窄縫間繼續(xù)傳播至約1/6~1/5船長(zhǎng)處時(shí),波峰(波谷)的峰(谷)點(diǎn)高度達(dá)到極大值約為波幅的1.5~2.5倍。隨后,窄縫內(nèi)的波浪幅值持續(xù)減小直至波面平穩(wěn)。由于波幅的減小幅度較為緩慢,加上選取的波長(zhǎng)較短,窄縫間流場(chǎng)出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)(見圖1)。
2)在波浪周期為0.716 s的工況下,當(dāng)入射波波峰傳播到窄縫入口處時(shí),窄縫內(nèi)流場(chǎng)的波面升高十分明顯。當(dāng)波峰傳播到模型首部約1/5~1/4船長(zhǎng)處時(shí),窄縫內(nèi)流場(chǎng)的波面升高出現(xiàn)極大值(見圖2):窄縫內(nèi)波面升高的峰值點(diǎn)高度約為同一波峰其余流場(chǎng)(窄縫外流場(chǎng))波面高度的1.5~2.5倍。隨著波浪的繼續(xù)傳播,窄縫內(nèi)波面升高的峰值以相對(duì)較緩的幅度持續(xù)減?。寒?dāng)入射波峰傳播到船舯處時(shí),窄縫內(nèi)的波面升高值約為波浪幅值的0.5~1.5倍(見圖2)。隨后,該波峰處的窄縫內(nèi)流場(chǎng)波面趨于平穩(wěn)。
3)在波浪周期為1.012 s的工況下,入射波峰在窄縫入口處同樣也存在著波面升高,但波面升高的峰值出現(xiàn)于船首部約1/10~1/8船長(zhǎng)處。相比于波浪周期為0.716 s的工況,接下來窄縫內(nèi)波浪幅值的減小更加迅速:波峰傳播到船中附近時(shí),窄縫間流場(chǎng)波面已趨于平穩(wěn)。
窄縫間距(0.12 m)、波高(0.02 m)以及水深(1.5 m)相同,選取波長(zhǎng)為0.25倍、0.5倍、1倍以及1.5倍船長(zhǎng)(LPP=2 m)4種工況,分別對(duì)應(yīng)波浪周期0.566 s,0.8 s,1.132 s以及1.389 s,對(duì)比分析各自窄縫間流場(chǎng)。選取典型時(shí)刻,以上4種工況對(duì)應(yīng)的波面升高如圖4~圖7所示。
圖 4 波浪周期為0.566 s,T=4.9 s~T=5.2 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 4 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 0.566 s and T=4.9 s T=5.2 s in the wave period
圖 5 波浪周期為0.8 s,T=4.6 s~T=5.0 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 5 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 0.8 s and T=4.6 s T=5.0 s in the wave period
圖 6 波浪周期為1.132 s,T=6.0 s~T=6.3 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 6 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 1.132 s and T=6.0 s T=6.3 s in the wave period
圖 7 波浪周期為1.389 s,T=3.6 s~T=3.9 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 7 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 1.389 s and T=3.6 s T=3.9 s in the wave period
分析以上波面升高圖,可以得出以下結(jié)論:
1)在波浪周期為0.566 s(波長(zhǎng)為0.25倍船長(zhǎng))的工況下,當(dāng)入射波波峰(波谷)傳播到窄縫入口約1/10~1/9船長(zhǎng)處時(shí),波幅增大。當(dāng)波浪在窄縫間繼續(xù)傳播至約1/6船長(zhǎng)處時(shí),波峰(波谷)的峰(谷)點(diǎn)高度約為波幅的1.5~2.5倍。隨后,窄縫內(nèi)的波浪幅值持續(xù)減小直至波面平穩(wěn)。由于波幅的持續(xù)減小較為緩慢,加上波長(zhǎng)較短,窄縫間流場(chǎng)出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)(見圖4)。
2)在波浪周期為0.8 s(波長(zhǎng)為0.5倍船長(zhǎng))的工況下,當(dāng)入射波波峰傳播到窄縫入口處時(shí),窄縫內(nèi)流場(chǎng)的波面升高十分明顯。當(dāng)波峰傳播到模型首部約1/4~1/3船長(zhǎng)處時(shí),窄縫內(nèi)流場(chǎng)的波面升高出現(xiàn)極大值(見圖5):窄縫內(nèi)波面升高的峰值點(diǎn)高度約為同一波峰其余流場(chǎng)(窄縫外流場(chǎng))波面高度的1.5~3倍。隨著波浪的繼續(xù)傳播,窄縫內(nèi)波面升高的峰值以相對(duì)較緩的幅度持續(xù)減?。寒?dāng)入射波峰傳播到船中處時(shí),窄縫內(nèi)的波面升高值約為波浪幅值的0.5~1.5倍(見圖5)。隨后,該波峰處的窄縫內(nèi)流場(chǎng)波面趨于平穩(wěn)。
3)在波浪周期為1.132 s以及1.389 s的工況下,入射波峰在窄縫入口處同樣也存在著波面升高,但波面升高的峰值出現(xiàn)于船首部約1/10~1/8船長(zhǎng)處。相比于波浪周期為0.8 s的工況,接下來窄縫內(nèi)波浪幅值的減小更加迅速:當(dāng)波峰傳播到船中附近時(shí),窄縫間流場(chǎng)波面已趨于平穩(wěn)。
窄縫間距(0.24 m)、波高(0.02 m)以及水深(1.5 m)相同,選取波長(zhǎng)為0.6 m,1.2 m以及2.4 m三種工況,分別對(duì)應(yīng)波浪周期0.62 s,0.877 s以及1.24 s,對(duì)比分析各自窄縫間流場(chǎng)。選取典型時(shí)刻,以上3種工況對(duì)應(yīng)的波面升高如圖8~圖10所示。
圖 8 波浪周期為0.62 s,T=8.6 s~T=9.0 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 8 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 0.62 s and T=8.6 s T=9.0 s in the wave period
圖 9 波浪周期為0.877 s,T=7.3 s~T=7.7 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 9 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 0.877 s and T=7.3 s T=7.7 s in the wave period
圖 10 波浪周期為1.24 s,T=7.3 s~T=7.7 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 10 A diagram of wave elevation changes in the flow field between 1.24 s and T=7.3 s T=7.7 s in the wave period
分析以上波面升高圖,可以得出以下結(jié)論:
1)在波浪周期為0.62 s的工況下,當(dāng)入射波波峰進(jìn)行到窄縫入口約1/9~1/8船長(zhǎng)處時(shí),波幅增大。當(dāng)波浪在窄縫間繼續(xù)進(jìn)行至約1/6~1/5船長(zhǎng)處時(shí),波峰的峰值點(diǎn)高度達(dá)到極大值,約為波幅的1~2倍。隨后,窄縫內(nèi)的波浪幅值持續(xù)減小直至波面平穩(wěn)。由于波幅的減小幅度較為緩慢,加上選取的波長(zhǎng)較短,窄縫間流場(chǎng)出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)(見圖8,T=9.0 s時(shí)刻的流場(chǎng)波面升高示意圖)。
2)在波浪周期為0.877 s的工況下,當(dāng)入射波波峰傳播到窄縫入口處時(shí),窄縫內(nèi)流場(chǎng)的波面升高十分明顯。當(dāng)波峰傳播到模型艏部約1/4~1/3船長(zhǎng)處時(shí),窄縫間流場(chǎng)的波面升高出現(xiàn)極大值(見圖9):窄縫內(nèi)波面升高的峰值點(diǎn)高度約為同一波峰其余流場(chǎng)(窄縫外流場(chǎng))波面高度的1.5~2.5倍。隨著波浪的繼續(xù)傳播,窄縫內(nèi)波面升高的峰值以相對(duì)較緩的幅度持續(xù)減小:當(dāng)入射波峰傳播到船中處時(shí),窄縫內(nèi)的波面升高值約為波浪幅值的0.5~1.5倍(見圖9)。隨后,該波峰處的窄縫內(nèi)流場(chǎng)波面趨于平穩(wěn)。
3)在波浪周期為1.24 s的工況下,入射波峰在窄縫入口處同樣也存在著波面升高,但波面升高的峰值出現(xiàn)于船艏部約1/10~1/9船長(zhǎng)處。相比于波浪周期為0.877 s的工況,接下來窄縫內(nèi)波浪幅值的減小更加迅速:當(dāng)波峰傳播到模型中后部時(shí),窄縫間流場(chǎng)波面已趨于平穩(wěn)。
通過對(duì)以上3種模型間距及其典型波浪周期的波面升高結(jié)果進(jìn)行分析比較,本次研究得到如下規(guī)律以及可能的解釋:
1)在波浪周期較大即波浪較長(zhǎng)時(shí),入射波浪無法進(jìn)入兩固定浮式結(jié)構(gòu)間的窄縫,波浪直接繞過兩浮式結(jié)構(gòu)繼續(xù)傳播,窄縫內(nèi)流場(chǎng)受遮蔽效應(yīng)而幅值很小,波浪升高的峰值點(diǎn)出現(xiàn)在船體迎浪處的前端。
2)隨著波浪周期與入射波波長(zhǎng)的減小,一部分波浪從模型首部的間隔處進(jìn)入窄縫間的狹長(zhǎng)間隔,并在模型兩側(cè)的不斷反射與疊加作用以及船底水體的流動(dòng)作用下,到達(dá)共振周期,窄縫間流場(chǎng)出現(xiàn)了十分顯著的波浪放大。
3)而當(dāng)入射波周期進(jìn)一步減小時(shí),窄縫間流場(chǎng)的內(nèi)部作用更為復(fù)雜,加上入射波長(zhǎng)較短,導(dǎo)致了多個(gè)峰值點(diǎn)的出現(xiàn)。
根據(jù)之前的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,現(xiàn)通過對(duì)比分析對(duì)兩固定浮式結(jié)構(gòu)窄縫間流場(chǎng)的水動(dòng)力共振現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究主要通過觀察由于間隙共振引起的波面升高,分析波浪周期、窄縫間距等參數(shù)與水動(dòng)力共振現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。
通過觀察窄縫間流場(chǎng)的波浪放大現(xiàn)象,選取不同窄縫間距、不同波浪周期的多種工況進(jìn)行多次數(shù)值模擬近似預(yù)測(cè)出對(duì)應(yīng)于特定窄縫間距的共振周期。相應(yīng)共振周期時(shí)兩固定浮式結(jié)構(gòu)周圍的波面升高如圖11~圖13所示,圖11(b)~圖13(b)顯示的是對(duì)應(yīng)圖11(a)~圖13(a)中黑線位置處的波高歷程圖。
分析以上波面升高圖,可以得出以下結(jié)論:
1)當(dāng)兩固定浮式結(jié)構(gòu)在規(guī)則波的迎浪作用下到達(dá)共振周期時(shí),窄縫間流場(chǎng)出現(xiàn)了十分顯著的波浪放大現(xiàn)象,窄縫間流場(chǎng)有且只有一個(gè)波面升高的峰值點(diǎn),其最大高度約為同一波峰其余流場(chǎng)(窄縫外流場(chǎng))波面高度的1.5~3倍。
2)當(dāng)兩浮式結(jié)構(gòu)間距增加時(shí),窄縫間流場(chǎng)的水動(dòng)力共振周期顯著增大:間距為0.06 m時(shí),共振周期在0.716 s附近;間距為0.12 m時(shí),共振周期在0.8 s附近;間距為0.24 m時(shí),共振周期在0.877 s附近。
選擇窄縫間距0.24 m,入射波長(zhǎng)1 m(0.5倍船長(zhǎng)),入射波高0.036 m,在改變浮式結(jié)構(gòu)外形尺寸的條件下進(jìn)行多組數(shù)值模擬,并將計(jì)算結(jié)果與上一節(jié)的計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
對(duì)應(yīng)上一節(jié)選取的垂線間長(zhǎng)LPP為2 m的DTMB5415標(biāo)準(zhǔn)船模,現(xiàn)選取相同主尺度(2 m×0.28 m×0.14 m)建立方形駁船的幾何模型。駁船模型的幾何外形如圖14所示。
圖 11 窄縫間距為0.06 m,波浪周期為0.716 s(近似達(dá)到共振周期),T=6.7 s時(shí)刻的流場(chǎng)波面升高示意圖Fig. 11 The spacing between the slit holes is 0.06 m, the wave period is 0.716 s (approximately to achieve the resonance period), and the elevation of the wave field at T=6.7 s time is shown.
圖 12 窄縫間距為0.12 m,波浪周期為0.8 s(近似達(dá)到共振周期),T=4.8 s時(shí)刻的流場(chǎng)波面升高示意圖Fig. 12 The spacing of the narrow gap is 0.12 M, the wave period is 0.8 s (approximate to the resonance period), and the wave surface elevation of the flow field in the T=4.8 s moment is shown.
3.2.1 流場(chǎng)的波面升高
在T=7.0 s附近選取幾個(gè)典型時(shí)刻,浮式結(jié)構(gòu)周圍及其窄縫間流場(chǎng)的波面升高如圖15~圖16所示。
3.2.2 窄縫間流場(chǎng)的速度分布
選取典型時(shí)刻T=6.8 s以及T=7.0 s,浮式結(jié)構(gòu)周圍及其窄縫間流場(chǎng)的速度分布如圖17~圖18所示。
圖 13 窄縫間距為0.24 m,波浪周期為0.877 s(近似達(dá)到共振周期),T=7.7 s時(shí)刻的流場(chǎng)波面升高示意圖Fig. 13 The spacing of the narrow gap is 0.12 M, the wave period is 0.8 s (approximate to the resonance period), and the wave surface elevation of the flow field in the T=4.8 s moment is shown.
圖 14 方形駁船外形圖Fig. 14 Shape of a square barge
圖 15 T=6.6 s(左)、T=6.8 s(右)時(shí)刻的流場(chǎng)波面升高示意圖Fig. 15 A diagram of flow elevation of flow field at T=6.6 s (left)and T=6.8 s (right) time
圖 16 T=7.0 s(左)、T=7.2 s(右)時(shí)刻的流場(chǎng)波面升高示意圖Fig. 16 A diagram of flow elevation of flow field at T=7.0 s (left)and T=7.2 s (right) time
圖 17 T=6.8 s時(shí)刻的流場(chǎng)速度矢量圖Fig. 17 Velocity vector diagram of flow field at T=6.8 s time
圖 18 T=7.0 s時(shí)刻的流場(chǎng)速度矢量圖Fig. 18 velocity vector diagram of flow field at T=7.0 s time
3.2.3 作用于浮式結(jié)構(gòu)表面的水動(dòng)壓力
對(duì)比之前選取的典型時(shí)刻波面升高圖,同樣選取T=6.8 s、T=7.0 s兩個(gè)典型時(shí)刻,作用于DTMB5415標(biāo)準(zhǔn)船模內(nèi)表面(與窄縫內(nèi)流體相接觸一側(cè)表面)的水動(dòng)壓力如圖19~圖20所示。
3.2.4 作用于浮式結(jié)構(gòu)上的波浪力
兩固定浮式結(jié)構(gòu)(DTMB5415標(biāo)模Ship1、方形駁船模Ship2)受到的縱向、橫向以及垂向波浪力的時(shí)歷曲線如圖21~圖23所示。其中,垂向波浪力包括浮力。
3.2.5 小結(jié)
分析以上波面升高圖、流場(chǎng)速度矢量圖、水動(dòng)壓力云圖以及波浪力的時(shí)歷曲線,可以得出如下結(jié)論:
1)在兩浮式結(jié)構(gòu)窄縫間的流場(chǎng)內(nèi),相比靠近DTMB5415模型一側(cè)的流場(chǎng),靠近方形駁船一側(cè)的流場(chǎng)波面升高更加明顯。由此可以推測(cè):相對(duì)于擁有優(yōu)良型線的船體,擁有規(guī)則幾何外形的浮式結(jié)構(gòu)更加易于引發(fā)流場(chǎng)的波面升高。
2)在窄縫間流場(chǎng)的波面升高處,作用于兩固定浮式結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的水動(dòng)壓力明顯增大。由此可以推測(cè):如果本次研究沒有約束兩浮式結(jié)構(gòu)的橫向自由度,窄縫間流場(chǎng)的波面升高會(huì)引發(fā)浮式結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。
3)以上波浪力的時(shí)歷曲線呈現(xiàn)出更多的非線性。引發(fā)這種現(xiàn)象的可能原因:計(jì)算模型的非對(duì)稱性會(huì)引發(fā)窄縫間流場(chǎng)強(qiáng)烈的水動(dòng)力耦合作用。
圖 19 T=6.8 s時(shí)刻浮式結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的水動(dòng)壓力云圖Fig. 19 Hydrodynamic pressure cloud on the inner surface of a floating structure at T=6.8 s time
圖 20 T=7.0 s時(shí)刻浮式結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的水動(dòng)壓力云圖Fig. 20 Hydrodynamic pressure cloud on the inner surface of a floating structure at T=7.0 s time
圖 21 縱向力的時(shí)歷曲線Fig. 21 The time history curve of the longitudinal force
圖 22 橫向力的時(shí)歷曲線Fig. 22 The time history curve of transverse force
圖 23 垂向力(包括浮力)的時(shí)歷曲線Fig. 23 The time history curve of the vertical force(including buoyancy)
3.3.1 流場(chǎng)的波面升高
在T=7.2 s附近選取幾個(gè)典型時(shí)刻,浮式結(jié)構(gòu)周圍及其窄縫間流場(chǎng)的波面升高如圖24所示。
3.3.2 窄縫間流場(chǎng)的速度分布
選取典型時(shí)刻T=7.2 s,浮式結(jié)構(gòu)周圍及其窄縫間流場(chǎng)的速度分布如圖25所示。
圖 24 T=7.1 s~T=7.3 s內(nèi)窄縫間流場(chǎng)的波面升高變化示意圖Fig. 24 Diagram of wave elevation change in the flow field between narrow slots in T=7.1 s T=7.3 s
圖 25 T=7.2 s時(shí)刻的流場(chǎng)速度矢量圖Fig. 25 Velocity vector diagram of flow field at T=7.2 s time
3.3.3 作用于浮式結(jié)構(gòu)表面的水動(dòng)壓力
對(duì)比之前選取的典型時(shí)刻波面升高圖,同樣選取典型時(shí)刻T=7.3 s,作用于方形駁船模型內(nèi)表面(與窄縫內(nèi)流體相接觸一側(cè)表面)的水動(dòng)壓力如圖26所示。
圖 26 T=7.3 s時(shí)刻浮式結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的水動(dòng)壓力云圖Fig. 26 Hydrodynamic pressure cloud on the inner surface of a floating structure at T=7.3 s time
3.3.4 小結(jié)
分析以上波面升高圖、流場(chǎng)速度矢量圖以及水動(dòng)壓力云圖,可以得出如下結(jié)論:
1)對(duì)于2個(gè)幾何外形規(guī)則且相同的方形浮式結(jié)構(gòu),規(guī)則波作用下其窄縫間流場(chǎng)的波面升高十分明顯,且流場(chǎng)的波面升高可以在窄縫內(nèi)穩(wěn)定傳播,不發(fā)生波浪破碎。
2)兩浮式結(jié)構(gòu)周圍及其窄縫間流體的速度矢量分布均勻,幾乎不存在有旋運(yùn)動(dòng)以及速度的局部放大。
3)窄縫間流場(chǎng)對(duì)浮式結(jié)構(gòu)的水動(dòng)壓力與波面的升高/降低相對(duì)應(yīng):波面升高,浮式結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)位置附近受到的水動(dòng)壓力增大;波面降低,浮式結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)位置附近受到的水動(dòng)壓力減小。另外,水動(dòng)壓力隨水深的增加而減小。
本文首先闡述了該研究課題的背景及意義,基于粘性流體力學(xué)理論以及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論,利用較為成熟的計(jì)算流體力學(xué)軟件FINE/Marine,對(duì)兩固定浮式結(jié)構(gòu)窄縫間的流場(chǎng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,通過觀察窄縫間流場(chǎng)的波面升高,對(duì)比探究不同波浪周期(波浪頻率)、不同窄縫間距對(duì)窄縫間流場(chǎng)的影響,同時(shí)還對(duì)不同波浪入射方向、不同模型參數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析及對(duì)比探究。最后得到與參考文獻(xiàn)相一致的結(jié)論:當(dāng)入射規(guī)則波達(dá)到共振周期時(shí),窄縫間流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)顯著的波浪升高現(xiàn)象;隨著窄縫間距的增大,窄縫間流場(chǎng)的共振周期也隨之增大。
綜上所述,利用本文所采用的研究分析方法,可以對(duì)兩固定浮式結(jié)構(gòu)窄縫間的流場(chǎng)問題進(jìn)行有效模擬與分析,為后續(xù)多浮式結(jié)構(gòu)窄縫間流場(chǎng)的分析研究奠定基礎(chǔ)。
[1]謝楠, 郜煥秋. 波浪中兩個(gè)浮體水動(dòng)力相互作用的數(shù)值計(jì)算[J]. 船舶力學(xué), 1999, 3(2): 7–15.XIE Nan, GAO Huan-qiu. Numerical calculation of hydrodynamic interaction of two floating wave [J]. Ship Mechanics, 1999, 3 (2): 7–15.
[2]TEIGEN P. Numerical aspects of multiple body hydrodynamics[C]// Proceedings of the 10th International Offshore and Polar Engineering Conference, Seattle, 2000:165–173.
[3]C Xu-jun, C Wei-cheng, S Qing. New method for predicting the motion responses of a flexible joint multi-body floating system to irregular waves[J]. China Ocean Engineering, 2001, 15(4):491–498.
[4]朱仁傳, 朱海榮, 繆國(guó)平. 具有小間隙的多浮體系統(tǒng)水動(dòng)力共振現(xiàn)象[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 42(8): 1238–1242.ZHU Ren-chuan, ZHU Hai-rong, MIAO Guo-ping. With the small gap between multi body floating system hydrodynamic resonance [J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2008,42 (8): 1238–1242.
[5]沈慶, 陳徐均, 江召兵. 浮體和浮式多體系統(tǒng)流固耦合動(dòng)力分析[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.
[6]徐亮瑜, 楊建民, 李欣. 基于黏性流體的小間距多浮體水動(dòng)力干擾研究[J]. 第十六屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(上冊(cè)), 2013.XU Liang-yu, YANG Jian-min, LI Xin. The small spacing of viscous fluid floating multi-body hydrodynamic interference study of [J]. Sixteenth Chinese (bank) based on Marine Engineering Symposium (1), 2013
[7]徐亮瑜. 多浮體水動(dòng)力干擾研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué),2014.
[8]郭飛. 波浪作用下多浮體系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性研究[D]. 上海:上海交通大學(xué), 2014.
[9]趙文華, 楊建民, 胡志強(qiáng), 等. FLNG系統(tǒng)進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能研究[J]. 船舶力學(xué), 2012, 16(11): 1248–1256.ZHAO Wen-hua, YANG Jian-min, HU Zhi-qiang, et al. Study on hydrodynamic performance of FLNG system for side loading unloading [J]. Journal of Naval Mechanics, 2012, 16 (11):1248–1256.