船舶在波浪中的运动-ch1-引论ppt课件.ppt
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1、船舶在波浪中的运动理论船舶在波浪中的运动理论Theory of Ship Motions in WavesLECTURE NOTES : Theory of Ship Motions in Waves21. 引论引论2. 海洋波浪理论海洋波浪理论3. 船舶在波浪上的运动船舶在波浪上的运动4. 小尺度构件流体动力小尺度构件流体动力5. 锚泊与运动响应锚泊与运动响应课程内容:课程内容: Theory of Ship Motions in Waves课程教材:课程教材: 戴遗山,段文洋 .船舶在波浪中运动的势流理论,国防工业出版社,2008.参考文献:参考文献: 1 刘应中,缪国平:船舶在波浪上的运
2、动理论,上海交通大 学出版社,1986. 2 Newman J. N. Marine Hydrodynamics, MIT Press,1977. 3 Faltinsen O. M. Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press,1990. 4 Bernard Molin . 海洋工程水动力学,国防工业出版社,2012. Theory of Ship Motions in Waves41. 概述概述2. 船舶运动预报解决方案综述船舶运动预报解决方案综述 3. 船舶运动预报方法的理论基础船舶运动预报方
3、法的理论基础CH1 内容:内容: Theory of Ship Motions in Waves5典型的海上浮式运载船舶:典型的海上浮式运载船舶:l 排水式与非排水式船舶;排水式与非排水式船舶;l 单体、双体单体、双体/多体、多体、 表面效应船表面效应船(SES) ;l 有航速与无航速等。有航速与无航速等。水面船舶水面船舶 Theory of Ship Motions in Waves6海洋结构物海洋结构物典型的海上生产作业平台:典型的海上生产作业平台: Theory of Ship Motions in Waves7l 波浪波浪: : 为平台主体主要的诱导载荷。为平台主体主要的诱导载荷。有两
4、种时间尺度: l 风风: : 不仅诱发波浪,对平台主体也产生影响。不仅诱发波浪,对平台主体也产生影响。有两种时间尺度: l 流流: :为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。 风、浪、流风、浪、流 是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。 Theory of Ship Motions in Waves8我国近海具有明显的季风特征,总体海况趋势:我国近海具有明显的季风特征,总体海况趋势: 冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。 平均风速:平均风速:4 12 m/s。 平均波高
5、:平均波高:0.8 1.8m( (风浪风浪) )、1.2 2.5m( (涌浪涌浪) )。 恶劣的北海:恶劣的北海: 60%的时间里有义波高大于的时间里有义波高大于2m,最大波高,最大波高30m以上,极以上,极端海况下的波浪周期为端海况下的波浪周期为1520s,很少低于,很少低于4s,风速上限,风速上限40 45m/s。 典型海况:典型海况: Theory of Ship Motions in Waves9 海洋环境诱导的浮式结构物运动海洋环境诱导的浮式结构物运动 波频摇荡:波频摇荡:高频振荡:高频振荡:瞬态效应瞬态效应稳态的高频振稳态的高频振动动低频慢漂:低频慢漂: Theory of Shi
6、p Motions in Waves10垂荡是海洋结构物重要的运动响应垂荡是海洋结构物重要的运动响应 设计半潜式平台要避免垂荡谐摇,一般要求高海况下的垂荡小设计半潜式平台要避免垂荡谐摇,一般要求高海况下的垂荡小于最大波幅的一半。于最大波幅的一半。 Theory of Ship Motions in Waves11海洋结构物设计对运动与受力的考虑海洋结构物设计对运动与受力的考虑 各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同:各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同: 垂荡:垂荡: 横摇:横摇: 纵摇:纵摇: 风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动:风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动: Theory of S
7、hip Motions in Waves12风浪下的船舶运动风浪下的船舶运动 摇荡运动摇荡运动(oscillation); 摇荡运动之动态效应:摇荡运动之动态效应: 速度、加速度、晕船;速度、加速度、晕船; 增阻增阻(increase of resistance)与失速与失速(speed loss); 飞溅飞溅(spray)、)、甲板上浪甲板上浪(Green Water); 首底砰击首底砰击(Slamming);); 舱液晃荡舱液晃荡(sloshing)等。)等。MOTION DEMONSTRATION FOR FLOATING STRUCTURES Theory of Ship Motion
8、s in Waves14船舶常规作业耐波性衡准船舶常规作业耐波性衡准 (NORDFORSK,1987)(NORDFORSK,1987) Theory of Ship Motions in Waves15耐波性综合指标耐波性综合指标l 任务作业率:任务作业率:任务作业率任务作业率 = =风浪中能够完成作业的时间风浪中能够完成作业的时间静水中能够完成作业的时间静水中能够完成作业的时间100%100%l 年均可作业天数:年均可作业天数:基于长期海况统计下的一年内可作业天数基于长期海况统计下的一年内可作业天数l 可使用的海情级别:可使用的海情级别:正常安全作业的海情级别正常安全作业的海情级别 Theo
9、ry of Ship Motions in Waves16质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性wind wavecurrenthydrodynamic pressureinertiaforcesSea Loads水动力载荷水动力载荷: : Theory of Ship Motions in Waves17常用的设计研究手段常用的设计研究手段数值分析数值分析 & 模型试验!模型试验! Theory of Ship Motions in Waves18l 大尺度浮体:大尺度浮体:势流理论、自由面和物面条件的线性与非线性、时域与频域势流理论、自由面和物面条件的线性
10、与非线性、时域与频域面元方法(面元方法(panel method)l 小尺度与细长构件:小尺度与细长构件:粘流理论、粘流理论、Morison模型、细长体理论模型、细长体理论基于基于CFD的数值模拟、切片方法的数值模拟、切片方法l 模型试验:模型试验:海洋环境(风、浪、流)的物理模拟海洋环境(风、浪、流)的物理模拟水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法精细流场无接触测量与成像技术精细流场无接触测量与成像技术适用的理论、方法与手段适用的理论、方法与手段 Theory of Ship Motions in Waves19海洋结构物:海洋结构物: l 强非线性
11、波及其冲击效应强非线性波及其冲击效应; ; eg. Extreme wave, Freak wavel 细长与柔性构件的粘性流分离及细长与柔性构件的粘性流分离及VIV;VIV;船舶:船舶: l 船舶运动预报的时域理论及方法;船舶运动预报的时域理论及方法;l 甲板上浪与舱液晃荡的动力学模拟;甲板上浪与舱液晃荡的动力学模拟;l 航行失稳的动力学分析。航行失稳的动力学分析。 Theory of Ship Motions in Waves20 适用于海洋工程浮体水动力载荷及效应分析适用于海洋工程浮体水动力载荷及效应分析的典型商业软件:的典型商业软件:l SESAM SESAMl WAMIT WAMIT
12、l AQWA AQWAl HYDROSTAR HYDROSTAR Theory of Ship Motions in Waves21船舶船舶 Theory of Ship Motions in Waves22船舶船舶Sesam 水动力分析主要模块:水动力分析主要模块: Theory of Ship Motions in Waves23 Theory of Ship Motions in Waves24 软件包AQWA-Diffraction包:包:l AQWA-LINEl AQWA-GSl AQWA-WAVEAQWA-Suite包:包:l AQWA-LINEl AQWA-FERl AQWA-D
13、RIFTl AQWA-NAUTl AQWA-LIBRIUM l AQWA-GS l AQWA-WAVE等 Theory of Ship Motions in Waves25AQWA仿真示例仿真示例 Theory of Ship Motions in Waves261.2 运动预报解决方案概述 典型软件简介(HYDROSTAR) Theory of Ship Motions in Waves27(1 1)场论基础)场论基础(2 2)实质导数与输运定理)实质导数与输运定理 (3) (3) 势流理论基础势流理论基础(4 4)Hess-Smith方法方法 Theory of Ship Motions
14、in Waves28);,(tzyxV);,(tzyxpVector plot of velocity around a airfoilScalar quantity plot of pressure around a airfoil Theory of Ship Motions in Waves29nSn Theory of Ship Motions in Waves30dgfSSdsnpdsnpdfpl 质量力质量力:l 表面力表面力: Theory of Ship Motions in Waves31nnlzkyjxi);,(tzyxltPtPllttP);();(lim0llPPzky
15、jxi梯度是矢量UnUn(1 1)场论基础)场论基础称之为物面条件 Theory of Ship Motions in Waves32SdsnVVdivVdsnVS0limzVyVxVVzyx);,(tzyxV散度是标量dVdsnVSnSV Theory of Ship Motions in Waves33CldV0VrotCl dVV0lim);,(tzyxV旋度是矢量dsnVl dVSC)(nSCl d)()()(yVxVkxVzVjzVyViVxyzxyzCCVCl dV Theory of Ship Motions in Waves34iixegaakajaiA.;321)(1)(0j
16、ijiij110ijk 一个矢量的张量表示:一个矢量的张量表示: 约定求和法则:约定求和法则:iiiixVVegbabababaBA.;332211 Kronecker 符号:符号: 交变张量:交变张量:(i,j,k 两个以上相同)(i,j,k 成偶排列)(i,j,k 成奇排列)kijjkiijkjkijkxVV)()()(.122131132332babakbabajbabaibaBAegkjijk Theory of Ship Motions in Waves35cbacba,),( cbabcacbacbacbacbacbacbaijjjijnmjjminjnimnmmnkjijknmk
17、mnjijk)()()()(例例A: 解解 应用示例应用示例 恒等式:恒等式:kmjnknjmimnijk Theory of Ship Motions in Waves36cbacabcba)()()()(cbacabxcbaxcbaxcbaxcbakjkjjkkjmnkjkmjnknjmmnimnkjijk)()()(例例B B: 应用示例应用示例ba,c, 解解 Theory of Ship Motions in Waves37)3()()2()1()(dVdsVnddsndVdsnVSSS例例C: 解解 推广的高斯公式dVdxVdsVndsVnddxdsndsndxVdsnVdVdsn
18、VjkijkSSkjijkiSSiiiSiiS 应用示例应用示例 Theory of Ship Motions in Waves38CSCSCSdsnVrnVnrVrVl ddsVnVl ddsnl d)()()()()()()(SzxyyzxxyzzyCxSiiCiiSCdsnyVxVnxVzVnzVyVdzVdyVdxVdsnVdxVdsnVl dV)()()()()()(例例D: 解 应用示例应用示例 (1)(2)(3)CSzyzxzCSyxyzyCSxzxyxdsxVnyVndzVdszVnxVndyVdsyVnzVndxV)()()(SjikkijiCidsxVnxVndxV)( T
19、heory of Ship Motions in WavesSjikkijiCidsxVnxVndxV)(SjkkjiCdsxWnxWndxW)(SSkjijkSkkiikkijkCCjkijkdsVndsVndsxVnxVndxVVl d)()()()(CSSiCSjkkjidsndsndsxnxndxl d)()()(故故SkiikjCdsxWnxWndxW)(于是有于是有SCdsVnVl d)()( Theory of Ship Motions in Waves40rdnd321、st 应用示例应用示例)()()()(VnVnVnVndsVnVnVnVl dSC)()()(CSdsnVr
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