波浪中系泊浮体运动响应的数值模拟

摘要

系泊系统是浮式结构物的重要组成部分，研究系泊状态下浮式结构物在波浪上运动响应，为系泊定位性能的评价和系泊系统的整体设计提供了依据，因此具有重要的意义。文章通过基于自主CFD求解器的程序开发与应用商业软件对浮体与系泊链索的相互作用进行研究，具体工作如下：
　　首先推导了考虑躺底段的悬链线方程的迭代求解方法，并通过算例对其进行了验证。采用集中质量力模型，建立链索节点运动方程，开发链索静力和动力分析模块。静力分析方法采用牛顿迭代法求解，对海流作用下深海锚链进行静力计算，通过与海洋工程软件OrcaFlex结果的比较，验证了静力分析模块的有效性。动力分析方法采用Newmark-β法与牛顿迭代法求解，对上端点简谐激励下链索进行动力计算，将链索动态张力与文献中的结果比较，验证了动力分析模块的有效性。
　　基于动坐标系，推导了刚体六自由度运动方程，开发六自由度运动模块。求解余弦激励力下的刚体运动，通过与解析解对比，验证了六自由度模块的求解精度。基于自主CFD求解器，数值模拟了方箱体在滑坡涌浪波浪场中的自由运动。运动模块的构建为对浮体进行系泊分析奠定了基础。
　　在以上基础上，将链索模块和浮体自由运动模块结合，构建浮体运动与系泊链索弱耦合分析方法。采用规则波的解析解来计算波浪力，通过浮式防波堤算例对该耦合方法进行验证。基于自主CFD求解器，构建二维数值波浪水池，通过规则波的算例，验证了造波与消波方法的有效性。基于上述数值波浪水池，模拟波浪与防波堤防波相互作用，展示了其消减波浪的过程。
　　最后，针对典型的系泊多浮体系统FLNG-LNG，采用AQWA软件对其进行了旁靠系泊时域计算分析，通过FLNG与LNG的相对运动及横缆、护舷的受力来分析其在风浪流环境下的旁靠系泊安全性。其中，流载荷采用FLUENT软件计算得到，考虑两船体间的水动力干扰，相比于常用的经验公式方法，具有更高的精度和适用性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 系泊系统介绍

1.3 系泊系统分析方法

1.4 浮体与系泊系统相互作用的研究现状

1.5 多浮体系泊分析

1.6 CFD在求解浮体运动响应中的应用

1.7 本文的主要工作

第2章 链索计算方法及验证

2.1 悬链线法

2.2 三维集中质量力法

2.4 本章小结

第3章 浮体运动响应计算理论

3.1 两相流CFD求解器基本理论

3.2 浮体六自由度运动计算方法

3.3浮体自由运动算例

3.4 本章小结

第4章 浮体与链索耦合方法及算例

4.1浮体与链索弱耦合方法

4.2 数值波浪水池

4.3浮式防波堤算例

4.4本章小结

第5章 FLNG-LNG旁靠系泊分析

5.1 基本理论

5.2 计算模型

5.3 环境载荷

5.4 旁靠系泊分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

学位期间发表的学术论文