FPSO在波浪中的运动响应的时域模拟

发布时间：2017-05-27 17:07

  本文关键词：FPSO在波浪中的运动响应的时域模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：浮式海洋平台作业时大多需要长期系泊于固定海域，遇到风暴亦不能避航。因此在设计和建造之初能否准确的预报特定海况下船波相互作用对其安全操作至关重要。因为计算条件的限制，以往的研究以及工程应用中广泛采用频域势流理论，近期，时域直接模拟技术越来越多的受到关注。本文以FPSO为研究对象，对船体在波浪中的运动响应进行了直接时域模拟，并且通过计算讨论了甲板上浪载荷对船体运动的影响。 数值模拟采用高阶面元，相比于普通面元法，高阶元能够更好的处理具有复杂表面的形体，尤其是表面曲率变化较大时。论文研究了高阶面元法的具体实现，以及在采用三维势流理论方法求解边值问题过程中，格林函数及其导数积分奇异性的消除方法，计算分别采用三角坐标变换和施加均匀位势。基于Fortran语言开发了4节点和9节点的高阶元程序，计算分析了定常流与物体的水动力作用，验证了程序计算的准确性。 在此基础上，依据三维线性势流理论，论文研究了求解时域无航速线性船波作用问题的基本控制方程和计算流程，编写了基于Rankine源法的时域数值模拟程序。对于Rankine源求解时的辐射条件问题，通过采用增加阻尼层的办法来处理，此外，，对计算域中的角点部分通过分布重节点来处理。最后，通过对规则圆柱和实船在波浪中运动的计算分析以及结果对比验证了程序求解的准确性。 采用该程序进一步在考虑甲板上浪载荷的情况下对FPSO在波浪中的运动进行数值模拟。其中甲板上浪流动的计算采用浅水理论近似，通过与相关试验结果对比讨论了浅水理论的适用性以及局限性。得到上浪高度后根据牛顿定理计算上浪载荷，并将其施加于船体运动方程以考察耦合情况下船体运动结果，并与不考虑上浪载荷的结果进行对比讨论。 采用Rankine源、高阶面元和时域模拟等计算方式相比于以往的自由面-格林函数法、普通面元离散以及频域理论，计算量大幅增加。为提高计算效率，论文将求解大型线性方程组的GMRES(m)算法引入程序求解边界积分方程，对比了该算法和普通Gauss求解器的计算效率，并且讨论了不同m值下迭代计算的收敛速度。此外，论文还基于Open MP将部分程序并行化，通过测试考察了加速效率。这两部分优化均提升了求解船波相互作用的时域直接模拟程序的实用性。
【关键词】：FPSO运动 时域模拟 Rankine源 高阶面元法 甲板上浪
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U661.32
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 研究的目的和意义10-12
• 1.2 船舶波浪载荷和运动研究12-18
• 1.2.1 二维切片理论12-13
• 1.2.2 三维势流理论13-17
• 1.2.3 高阶面元法离散17-18
• 1.2.4 工程软件18
• 1.3 甲板上浪研究综述18-22
• 1.3.1 浅水理论描述甲板上流体运动19-20
• 1.3.2 非线性边界元法描述初始条件20
• 1.3.3 CFD 方法模拟甲板上浪20-22
• 1.4 本文研究内容22-23
• 第2章 高阶面元法的数值实现23-37
• 2.1 高阶面元法基本原理23-25
• 2.2 边界积分方程及其离散25-26
• 2.3 积分奇异性处理26-28
• 2.3.1 G 积分奇异性去除和固角系数计算26-27
• 2.3.2 G 积分奇异性去除27-28
• 2.4 程序流程28-31
• 2.5 算例验证31-36
• 2.5.1 三维球体的定常绕流问题32-35
• 2.5.2 Wigley 船线性兴波计算35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 船舶在波浪运动的时域模拟37-66
• 3.1 控制方程与扰动势求解37-41
• 3.1.1 坐标系定义37-38
• 3.1.2 入射波描述38
• 3.1.3 扰动势求解38-40
• 3.1.4 物面与自由面交线处理40-41
• 3.2 船体运动求解41-45
• 3.2.1 运动方程建立41-42
• 3.2.2 时域求解数值方法42-44
• 3.2.3 程序流程44-45
• 3.3 程序加速优化45-51
• 3.3.1 应用重启动的 GMRES(m)方法求解积分方程45-48
• 3.3.2 基于 Open MP 构造并行程序48-51
• 3.4 算例分析51-65
• 3.4.1 固定圆柱波浪绕射52-56
• 3.4.2 截断圆柱辐射问题56-58
• 3.4.3 自由漂浮圆柱运动58-60
• 3.4.4 波浪中船体运动60-65
• 3.5 本章小结65-66
• 第4章 考虑甲板上浪载荷的 FPSO 运动预报66-80
• 4.1 浅水理论模拟甲板上浪流动66-73
• 4.1.1 溃坝模型66-68
• 4.1.2 洪水波模型68-71
• 4.1.3 算例计算71-73
• 4.2 甲板上浪载荷的理论计算73-74
• 4.2.1 甲板上浪发生条件73
• 4.2.2 甲板上浪载荷73-74
• 4.3 波浪中船体运动和甲板上浪联合预报74-78
• 4.3.1 上浪发生对应频率74-76
• 4.3.2 甲板上浪载荷76-77
• 4.3.3 船体运动响应77-78
• 4.4 本章小结78-80
• 结论80-82
• 参考文献82-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文89-91
• 致谢91

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1 记者 张Z

本文编号：400623