（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海洋结构物环境适应性物理模拟研究.pdf

a b s t r a c t t h er e s p o n s eo fo f 话h o r es m l c t u r eu n d e r 也ee n v i r o m e n t a ll o a di sv e r yc o m p l e x ，t h e p h y s i c s m o d e lt e s tp l a y sa n i l n p o r t a n tr o l e 血d e s i 口w i m t h ea n a l y s i so f 也er e s l d t so f m o d e l t e s t ，m et l l e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i i n u l a t i o nd e v e l o p a t 矗r s ti i lt h ea i t i c l et h eo 凰h o r em o d e lb 鹊i n si nt h ew o r i da r ed e s c r i b e da n da n a l y z e d b r i e f l y t h em o d c i t e s tf o ro f f h o r cs 饥l c n l r en e e dn o to i l l y ( h em o d e lt e s tf h i l i t i e s ，b u ta l s o t h em e a s u r i n gt e c h l i q u e s 姐dm o d e lt e s tm e t h o d s ，t h es c a l el a w so fo 行h o r em o d e lt e s t i n c l u d i n g f r o u d e s l a w ，r e y n o i d sl a w ，v o r t e xs h e d d i n g ， s 1 1 r f a c et e n s i o ne f f e c t s a i l d c o m p r e s s i b i l 姆a r ea n a l y z e d 遗d e t a i l n ee n v i r o n m e n t a ll o a d sa c t e do nf l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea i l d0 傣1 0 a d i n gv e s s e l i n c l u d ew 泣d ，c u r f e n t 跹d 啪v e n em e m o d sa n dt e c 嫡q u e so f s i m u l a t i n gw a v e ( i n c l u d i n g 确g u l a r1 0 n gc r e s t e dw a v e s ，r 吼d o ml o n gc r e s t e dw a v e s ，啪d o ms h o r tc r e s t e dw a v e s ， b i - m o d a la n db i d i r e c t i o n a lw a v e s p e c t r a ) ，c u r r e n ta 1 1 dw 访di no 凰h o r eb a s i n sa r ed i s c u s s e d a n d p r o v i d e d 1 h em o o r e df i o a 恤gp r o d u c t i o ns t o m g ea n d o 行1 0 a m n gv e s s e li sac o m p l e xd y t l 锄i c s y s t e m w i 也t 1 1 em o o 血gs y s t e m 姐d r i s e r st h cm o d e lt e s to f f l o a t i n gp r o d u c t i o n s t o r a g ea 1 1 d o 蕾l o a d i n gv e s s e l i nw 岍b a s i n si sm o r cd i 伍c u n t h et ) ，p i c a lm o d e lt e s t so ff 1 0 a t i n g p r o d 删o ns t o r a g ea n do 尽l o a d i n gv e s s e ia r ed i s c u s s e da n dt 圭l ea i m sa n dt h em e a s 溉n g m e t h o d sa r e p r o v i ( 1 e d k e yw o r d s ：o f 窍h o r e 蚰m c t u r e ；s i m l l l a t i o no f e n v i r o 咖e n 诅l l o a d s ；m o d e lt c s t ：w a t e rb a s i l l 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 1绪论 2 l 世纪是海洋开发的世纪，世界范围内当代和未来大型与超大型船舶及海 洋结构物的需求将与日俱增。大型与超大型船舶及海洋结构物是技术含量和附 加值不断提高的海洋装备，最大限度地占领其国际市场具有显著的社会与经济 效益，对于我国国力的增强具有十分重要的意义。大型与超大型船舶及海洋结 构物必须能够在复杂的海洋环境中具备优异的营运特性、安全可靠性和环境保 护特性。为实现这些特性的要求，在设计与建造中有大量复杂的力学问题急待 解决，包括流体力学、结构力学、弹性力学、热力学、环境力学以及多种因素 相互作用的影响等。至今，尽管设计学与力学和计算数学以及计算机计算技术 已有充分发展，但在船舶特别是在海洋工程设计中尚无法摆脱试验的支持。不 能获得充分的试验验证的设计与制造技术，是无法获得设计者、船东和营运者 认可的，也就无法保证设计与建造的合理性。 海洋结构物主要包括浮式海洋平台、固定式海洋平台和海洋开发船舶，诸 如半潜式平台，独柱式平( s p a r ) ，张力腿平台，自升式平台，浮式生产储油船 ( f p s o ) ，穿梭油船等。随着海洋石油油田的开发向深水水域的发展以及开发周 期的缩短，浮式生产储油船( f p s o ) 的应用越来越广泛，也是当前海洋工程研 究领域的热点。本文所指海洋结构物一般以浮式生产储油船为代表。 环境因素主要指风、流和波浪，也包括冰、雪、地震、土壤和海水与空气。 适应性主要指自由状态的运动与荷载( 风浪流荷载) ，系泊状态的定位与荷载( 风 浪流作用下结构物遭遇荷载和锚缆系统的受力状态) ，以及作业系统( 平台单元、 生产储油单元以及穿梭油运单元) 单元间的相互作用。 由于浮式生产储油船的作业海域广泛，从几百米水深到近三千米水深都有， 同时其作业水域环境条件复杂且各不相同，其定位系统一般有：锚泊( 定位) 系统、动力定位系统和锚泊( 定位) 和动力定位混和系统。锚泊系统一般分为 单点锚泊系统( s p m ) 和多点锚泊系统( m p m ) 两种。由于海洋环境因素的复 杂性，以及浮式生产储油船本身的作业特性以及锚泊系统的非线形，因此单纯 使用理论计算方法不能满足浮式生产储油船设计、建造和安装的要求。这就要 求进行模型试验。 船舶与海洋工程深水试验水池是开发海洋装备的重要设施之一，是确定海 洋结构物尺度、布置、功能、使用效益和安全可靠性的必不可少的试验设施， 是基础科学与应用技术开发验证的必不可少的设施，也是高级技术人才培养的 必不可少的设施，当然也是我们竞争海洋开发装备设计与建造的重要砝码。尽 管发达国家在海洋结构物设计中已经具备了强有力的理论计算方法和计算机软 件的支持，鉴于计算模型本身的局限性和海洋结构物生存与营运环境的复杂性， 同样对模型试验有着强烈的依赖性。因此，浮式生产储油船的设计、建造和安 装都必须以模型试验为前提和依据。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 自上个世纪9 0 年代以来，国外船舶与海洋工程技术发达国家，陆续建造了 一批专门用于海洋工程模型试验的水池，并且开发完成了一批研究成果，在海 洋工程领域发挥了重要作用。 1 1 国外深水试验水池发展现状 1 1 1 荷兰海事研究中, l ( m a r i n ) 1 ) 新建耐波与操纵水池( n s m b ) 水池尺度为长宽水深= 1 7 0 x 4 0 x 5 m ；拖车最大速度为6 m s ，由x y 双向 拖车构成；摇板式分段造波机，可以制造短峰波。水池用以从事船模耐波性与 操纵性试验。该水池于1 9 9 9 年开始使用。 图1 1 1 耐波与操纵水池简图 f i g 1 1 1s k e t c ho fs e a k e e p i n ga n dm a n o e u v r i n gb a s i n 2 ) 新建海洋工程水池( n o b ) 图1 1 2 海洋工程水池简图 f i g 1 1 2s k e t c h o fo f f s h o r eb a s i n 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 自上个世纪9 0 年代以来，国外船舶与海洋工程技术发达国家，陆续建造了 一批专门用于海洋工程模型试验的水池，并且开发完成了一批研究成果，在海 洋工程领域发挥了重要作用。 1 1 国外深水试验水池发展现状 1 。g 。i 玺亭誊匿引匿薹竞i 剪羲薹；毫? i ：饕鎏囊粪冀薹蠹硼雾鲥辇季i 萋霎璧萋摹摹蒸i 蓑。羹鍪一；i ；i i i t ；螽i 蠢调 ，唱得韵味 十足；长本的叙事歌谣，背褥滚瓜烂熟。七岁那年，谴参加了湘西 古丈县城河坝坪的赛歌会。他稚嫩的童音，老练的神气，何纪光在 家乡黥蟊蓊，第一次公开显露是猛将的音乐灵气。 赛歌会上与民歌手对歌获胜，群众情不自禁地惊呼：“这个伢儿 要褥，睡得入法l ” 大家就将乡人凑钱定制的银质奖牌给了他，人民的皴励使他踏 上了滨唱民歌鹣人生遴路。生活在人蔑之中，蜉蔽在人毵之中，唱 鋈薹纛零j 馐蓉黎鬟强蓁墓霪熏羹鏊i 嘲型篙襄；霪鬟受擎囊| 萋篓 蠢攀；藿鬟薹l 曩蠢；霎一满灞墨臻缆；蓑羹| i 霎糯笺喜羹辱萋囊揣 囊委舀鋈鋈：囊霎鍪耋毒蓥翻剌萎蘩薹；雕鋈例囊霎篾鋈基蠢强硐 鬟孺坚嚆；鼍磊甚墨i 裁型霎霾鬻震褊；塑离孺潭羹塑拣零。嘉篓 囊雾嚣鬟噬雾羹鬟篓囊委羹囊器萋囊囊鋈妻垫割裂囊囊鼗氍羹。 趣鏊蚕璧鬟囊雾虻9 錾】夔4 嚣鬻翼? 蠢篓萋鳍羹蛾萋穗鹭羹滋 滢羹羹隧霎嘲型荔黧。赣。蒌蓄鋈霪隧羹甥蘑霞嚣隧黎罕鍪鎏。 型鉴蠢鬻酹攀霎蓁蛋稀鬻辫蠹羹。冀霎辇鏊 x 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 水池尺度为长宽= 4 5 x 3 6m ，水为0 1 0 。5 m 可变水深；有5 x 5 m 深3 0 m 深井； 分段式造波机，可以制造短峰波和实现方向谱；造流设备可以在整个水深和任 意方向造流，包括逆向流。深井可以保证实现3 0 0 0 m 水深的锚泊试验。同时， 该水池能够从事自航模在浅水条件下的操纵性试验。 该水池是为试验欧洲北海油田的深入开发建设的。北海油田自上个世纪7 0 年代开发以来，大量的试验研究工作依仗挪威海洋工程研究中心( m a r i n t e k ) ， 到上个世纪末油田进一步地开发，特别是向更深海域的勘探开采，新型海洋装 备( 如张力腿平台) 需求的出现，待设计研究开发的工作大幅度增加。荷兰的海事 研究中心( m a r i n ) 不失时机地抓住了这个机遇，建成了深水试验水池，近几年 已经发挥了积极作用，取褥了显著的技术与经济效益。 1 1 2 挪威海洋工程研究中 心 ( m a r i n t e k ) 1 ) 海洋工程试验水池实验室( o b l ) 海洋工程试验水池可用于船舶和海洋平台模型试验。可以模拟风、浪、流 各种环境条件。可以用于任何形式的固定式与浮动式海洋结构物的模型试验。 1 0 m 的水深可以满足海洋工程向深水领域发展的需要。 图1 1 3 海洋工程试验池筒图 f i g i 1 3s k e t c ho fo f f s h o r eb a s i n 噬家：“你们匏歌唱应该如色到溉众不再发觉你镪怒在唱。”，歌瞩老 只有把歌唱观念从单纯的声音思维中解脱出来，才能把情感投入声 音。声音对于歌曝来说是基础。没有良好的声音，根本谈不上二度 创作的表现力。假一味的追求声音、发生技巧而忽略情感的表达， 就会使演噶的作品听之无味，很难让观众产生共鸣。二度创作应囊 括声音与情感，歌唱者报据作品所要表达的情感，粑声鬻的处理， 技巧的运用发挥到更高、更完茨的水平，使声中有情、情中有声、 声情并茂，达到承乳相融的程艘。平常我们常说的神、蒲、形、腔、 字无者兼备的演喝，就是具有二度创作功效的良好的表演，歌唱者 吝二度创作中要注意音乐形象鲍亥l 萄。一秘音乐形象翡蘩造，都来 自现实生活。正如何纪光所说的那样，歌唱者应该把自己的心融在 生溪上，瘸心灵去感应生活。骞许多久误以为疆歌1 爰要熊噩 l 谱稻会 就行了，也有的演员只知有个好听的声音却不懂音乐形象的塑造。 侮纪光善子刻画群众音乐影象，每当继接受一个凝戆 乍慧，裁会冥 思苦想，分析研究作品的历史背景，作品的曲式结构，了解作者所 要表达的思想等等；馋纪光在健所唱赡歌蕊戆写佟过程中，零有较 大的参与或对所唱歌曲进行改编，使歌曲与演唱配套，既为新型高 腔嚼法“璧体之做”，又是为使施展“特技”有个“用武之地”，既 一 墨鲎缱塑塑堑堡重座丝塑望搓塑堡塞 2 ) 用途 a ) 耐波性试验： b ) 操纵性试验： c ) 固定式平台水动力性能试验； d ) 锚泊系统试验： e ) 海洋能量试验： f ) 浮式人工岛试验； g ) 海洋装卸系统试验： h ) 海洋生产系统试验： i ) 海洋平台营运试验； j ) 海洋平台各种系统试验： k ) 管线试验。 3 ) 水池尺度： 水池尺度为长宽= 8 0 5 0 m ，o l o m 可变水深；分段式造波机，可以制造短 峰波和实现方向谱；造流设备可以在整个水深和任意方向造流，在5 m 水深最大 流速近0 2 m s ，7 5 m 以下水深最大流速为1 5 m s 。 规则造波机为液压铰接双襟翼型。规则波最大波高为0 9 m ，波浪周期为0 8 s 上，波谱由计算机产生或由磁带输入。 不规则多板造波机为电动，铰接单襟翼型( 1 4 4 段) 。规则波最大波高为o 。4 m ， 波浪周期为0 6 s 以上，波谱由计算机产生( 方向谱的短峰波或长峰波1 。 拖车系统可以在5 m s 速度下跟踪自航模型，并在任意方向保持迎浪状态。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 1 1 3 美国海洋技术研究中, b ( o t r c ) 图1 1 4 海洋工程试验水池简图 海洋工程试验水池( o e b ) 可以从事大尺度的固定式、浮动式和锚泊浮动式海 洋结构物在风、浪、流环境条件下的试验。水池长4 5 m ，宽3 0 m ，水深5 8 m ， 池中有深为1 6 5 m 的试验井。由4 8 个造波板构成的造波机可以制造各种类型的 波浪，包括单向和多向规则与非规则( 随机) 波。1 6 个动力控制的风扇可以在任意 方向制造阵风。一个由潜水射流管束组成的造流装置可以在任意方向造流。水 池装备有9 6 个通道的数据采集系统。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 1 1 4 韩国海洋研究发展中, l , ( k o r d i ) 图1 1 5 海洋工程试验水池简图 f i g 1 1 5s k e t c ho fo f f s h o r eb a s i n 韩国船舶与海洋工程研究院的海洋工程试验水池( o e b ) 由多向造波机，造流 系统和造风系统组成。水池水深从0 4m 到3 5 m 。自1 9 9 8 年已经完成了各种 各样的船舶与海洋结构物的试验。造波机呈l 型，为冲箱式，多向拖车。 试验项目包括： 1 ) 海洋动力学试验 a ) 波流作用在结构物上的荷载： b ) 船舶与海洋结构物动力响应与定位试验 c ) 船舶稳性，耐波性与操纵性试验； d ) 海洋运输与船舶下水模拟； e ) 海洋船舶遥控自航试验； f ) 张力腿平台和锚泊系统试验。 2 1 海洋空间和资源利用技术试验 a ) 风浪流相互作用研究； b ) 非线性波和波流相互作用研究； c ) 风浪流控制结构性能评价； d ) 海洋空间利用结构试验； f ) 海洋空间利用装置试验； g ) 近海环境性能试验。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 3 1 海洋装备开发 a ) 海洋装备性能试验 b ) 水下装备试验。 水池尺度( 试验段) 为5 6 m 3 0 m 4 5 m 。井为直径5 m ，深1 2 m 。多向造波机 为冲箱式，o 5 m 2 r e x8 8 段。可以造最大波高为o 8 m 多向规则波和不规则波。 造流设施为叶轮泵5 5 k wx 6 台。风机为一级轴流风扇式，最大风速为1 0 m s ， 风扇为o 7 m x l ，1 0 0 r p m x 8 只。 i 2 国外深水试验水池特点 国外新建海洋工程试验水池及其装备有以下特点： ( 1 ) 水池规模：长在4 5 8 0 m 范围内，宽在3 0 5 0 m 范围内，水深在3 5 1 0 5 m 范围内。通常，对于兼顾船舶耐波性试验的水池，水池长度取上限值：对于设 置深水井的水池水深取下限值；宽度的选择同拖车跨度密切相关。水池规模取 决于试验对象，关系到试验结果的置信度，也关系到建设投入的经济性。同时， 还应当考虑到船舶与海洋工程科学技术和工业长期发展的需要。 ( 2 ) 所有水池均采用多向分段不规则造波机，并以短峰波和方向谱为造波 目标。大都采用单侧造波，个别采用双侧造波( l 型造波系统) 。波高在0 8 m 以 下，周期在1 s 左右。所有水池均采用水下不同深度多向造流设备，流速在o 5 m s 以下，以o 2 m s 为多，取决于水深。大多数水池均采用水面多向造风设备。阵 风速在1 0 m s 左右。上述三大设备主要用来最大限度地模拟海洋环境。远洋船舶 与海洋结构物的营运和生存对于海洋环境有着强烈的依赖，其模拟的真实性同 船舶与海洋结构物的安全与可靠性密切相关。尤其是造波设施的功能是标志一 座海洋工程试验水池先进性的重要技术指标。 ( 3 ) 大多数水池均采用双向拖车，车速在5 6 m s 范围内。拖车是为船舶与 浮体航速和为试验测试提供支撑的重要设备，具有大型桥式起重机的规模，试 验仪器的结构与运行精度，可以为试验模型提供平面内任意方向的航迹，是一 个技术含量较高的装备。 ( 4 ) 所有水池均设置大型计算机系统，当代各种类型的传感器系统和多通 道( 通道数在1 0 0 以上) 数据采集处理系统，以及多方位图像采集、显示与记录系 统。上述四大信号采集处理记录系统是保证试验可操作和结果可信的基本设施。 7 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 表1 i世界上主要的海洋工程试验水池的简要数据 t a b l e1 1m a i nd i m e n s i o i l so fo f f s h o r eb a s i n s 国别荷兰挪威美国加拿大韩国 水池尺度 长4 58 0 4 57 55 6 宽 3 65 03 03 23 0 ( 掰) 水深 1 0 5l o6 。83 54 。5 深井尺度 长 54 5 宽 5 无 4 ( m ) 水深 3 01 6 58 51 2 短峰波短峰波短蜂波短峰渡短峰波 多向造波机 方向谱方向谱方向谱方向谱方向谱 多向造流速度，m s o 2o 5 多向造阵风速度，m s 1 0 多向拖车速度，m s 65 建成年代 2 0 0 01 9 9 01 9 9 5 1 9 9 01 9 9 8 ( 5 ) 海洋工程试验水池大都选择在相应学科试验研究设施和技术人才聚集 的场所，以满足其多学科多技术特点的需要。诸如世界上最大的海洋工程试验 水池m a r i n t e k 建于挪威理工大学船舶与海洋工程系；o t r c 建于美国德克萨 斯a & m 大学；加拿大国家海洋工程试验中心的海洋工程试验水池建于纽芬兰纪 念大学( 表1 ) ；m a r i n 建于荷兰丹佛大学附近；以及k o r d i 建于韩国三星高等 研究院，邻近国立忠南大学。 1 3 国内海洋工程水池概况： 上海交通大学海洋工程水池( o c e a ne n g i n e e r i n gb a s i n ) 隶属于上海交通大 学海洋工程国家重点实验室，于1 9 9 2 年建成并通过国家验收。 实验室的主体是海洋工程水池。该水池长5 0 米，宽3 0 米，深6 米，可以 模拟风，浪，流等各种海洋环境。并能在o 一5 米范围内任意调节水深。海洋工 程水池与其它有关配套设施如：船模拖曳水池、空泡水筒、结构力学试验、水 下工程水池和操纵性实验室等组成了一个比较完整的试验基地和研究实体。主 要从事船舶与海洋结构物在各种海洋环境下的流体动力载荷、运动及结构响应： 各种海上浮式生产系统和深海平台的动力特性及模型试验；超大型浮体动力特 性及模型试验；深潜器空间运动理论及其计算方法；海底管线埋设和检测；船、 桨、舵流场耦合的理论及其计算方法；螺旋桨降噪减振、空泡及其剥蚀机理； 结构承载能力和动力分析；海洋环境模拟及其测试分析技术：载人与无人潜水 器、新型船舶与海洋结构物设计等领域的基础和应用基础理论研究及工程开发 研究。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 试验水池主要设备说明如下： 双推板大功率水压造波机。可以造出满足各类试验要求的规则波和不规则 波，造波最大波高可达o 6 m 。 造波机对面的固定式波浪吸收滩板，避免反射干扰，吸收波能效果令人满 意。 高压喷水造流系统。可以实现整体式造流，最大流速0 2 m s ，局部造流系 统可以在水池局部水面产生更高的流速，以满足不同试验需要。 轴流风扇造风系统。可以产生满足各类试验要求的规则风和不规则风，造 风最大风速可达1 0 m s 。 整体式可调节双层底。能够根据试验要求在0 5 1 1 1 范围内调整试验水深， 调节速度3 m h 。 大跨度x y 方向拖车。最高拖曳运动速度1 0m s e c ，通过调节x y 方向， 能够执行倾斜海面的模型试验。 具备多种手段，用于测量波浪、流、风、力，以及船模和海洋工程结构物 模型的运动。 自动数据采集和实时分析计算机系统。 自上个世纪中期以来，为适应造船工业的发展，在国内已经陆续建设了一 批船模试验水池，规模在l o o m 长的水池近2 0 座，分布在研究院所和高等学校 中，为我国的船型开发贡献了力量。然而，应当看到这些水池规模相当，功能 相近，技术水平大体一致，缺少特色，并未充分发挥其应有的作用。特别是， 至今我国尚不具备从事深水船舶与海洋工程试验研究的水池。 国内最大的船舶试验中心一中国船舶科学研究中心，尽管设施众多，设备 精良，但主要从事船舶产品试验研究，尚不具备从事海洋工程试验研究的条件。 大连理工大学国家重点实验室一海岸与近海工程实验室，主要从事浅水海洋装 备的试验研究。上海交通大学的国家重点实验室一海洋工程实验室是目前国内 唯一的一座可从事深水海洋装备试验研究的实验室，但目前在海洋环境模拟和 水深范围还有一定的局限性，还不能完全满足海洋平台试验的需要。以上事实 表明，我国急切需要建设一定数量的适应深水海洋装备试验研究的设施。 我国不仅在试验设施和国外具有一定的差距，试验方法和技术的深入研究 也是当前国内海洋结构物模型试验的关键问题。 国际船模试验水池会议的浮式生产系统专家委员会、深水锚泊系统专家委 员会、海洋环境因素模拟专家委员会和波浪专家委员会分别对于其相关领域有 关问题给予了指导性的建议。 浮式生产系统专家委员会主要对下列问题提出了指导性的建议：对于在波 浪，流和风的作用下( 包括混和试验方法) 浮式生产系统的试验和数值模拟方 法进行了评价并给出了推荐程序。同时给出了完全动力定位系统的进展和动力 定位系统模型试验的程序f l 】。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 2 2 雷诺数 某些水动力模型试验还要求粘性相似，如粘性横摇阻尼力矩。当评估作用 在细长管状结构( 如立管和锚链) 上的力时，粘性力也很重要。雷诺准则可以 保持实船和模型间的惯性力和粘性力相似，并要求要求实船和模型间的雷诺数 r e 相同。 r e = 观” ( 2 2 ) 其中l 和u 是特征长度和速度，。是运动粘性系数。结构的不同构件的雷 诺数不同，因此雷诺数需分别考虑。 实船和模型的两个参数g 和v 是一样的( 或几乎一样的) 。因此不可能在同 一个模型试验中同时得到傅汝德相似和雷诺相似。傅汝德相似要求模型速度与 长度的平方根成比例，而雷诺相似要求相反的关系。因此必须采用折中的方法。 在某些与自由表面无关的环境条件下( 如测量流力和风力时) ，试验通常在 尽可能大的雷诺数下进行。这意昧着试验时模型尽可能的大，流速尽可能的高。 因为模型流速的限制，模型的雷诺数不可能与实船的一致，并通常要小于实船 的。 在某些重力波为重要成分的环境条件下，模型试验通常在傅汝德相似下进 行。模型的雷诺数将会比实船小几个数量级。除了以下情况，实船和模型间的 雷诺数差异并不是很重要。 a 1 如果问题中的构件有尖角，并发生流体脱离： b ) 如果流体本来为湍流( 如有许多管状构件聚集在一起，或者表面有许多 足够大的突出物) ； c 1 如果实船和模型雷诺数都非常高。 为了确定某一试验的雷诺数是否满足要求，对不同的模型和试验条件进行 了许多研究试验。某些实验室用增加构件的粗糙度或者其它的湍流激励物以便 使流动稳定并重现实船试验条件。一些实验室调整某些构件的尺度以便修正阻 力系数误差。其它实验室宁愿在几何相似下进行试验，再用适当的数值模型估 计( 或修正) 误差。关于雷诺相似问题没有一个单一的准确答案，因此虽然经 过多年的研究，这个问题仍然引起很多的争论。在多数情况下最好的方法是接 受相似的缺陷，评估试验结果，然后确保预期的误差对于实船系统不是至关紧 要的( 虽然对于非常深的水可能会变得比较困难) 2 3 漩涡脱落 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 在非流线体附近的流体发生漩涡脱落是一个普遍的现象，在那里尾流不稳 定导致漩涡的周期产生和脱落。这将在物体相对流动横向方向产生交变力，同 时与流动一致的方向上产生较弱的交变力。低阻尼的柔性结构将会对这种力产 生响应，并且当激震频率与柔性结构某一自然频率相符时其响应将明显很大。 产生敲击( l o c k o n ) 并导致漩涡诱导振动 。 在浮式生产系统中尽管在大的圆柱形浮筒上也观察到了漩涡诱导振动现 象，但对于相对小的圆柱形构件，如立管，漩涡诱导振动现象非常重要。漩涡 诱导振动可能有时由大波幅的长峰波引起，但通常由海流引起。 漩涡对脱落的频率由斯图哈尔数定义： s = | u ( 2 3 ) 其中d 是物体的直径，u 是流速，f 是漩涡脱落的频率。需注意较大的横向 振动频率为f ，而较小的顺向振动频率为2 f 。对于霄诺数小于4 1 0 5 的稳定流动 中的圆柱体斯图哈尔数为常数0 2 。当雷诺数大于4 1 0 5 时斯图哈尔数可能为两 倍并在4 1 0 6 左右回到o 2 5 。如果初始流动是湍流，斯图哈尔数的峰值将在一个 较小的霄诺数时出现。 有时用斯图哈尔数的倒数，换算速度诈 玢。u 归 ( 2 4 ) 此参数经常用于圆柱体或者立管的响应与无置纲的速度图中。 如果模型试验能够准确表现由漩涡脱落产生的作用于结构上的力和响应， 那么很明显需保持漩涡脱落频率和模型结构响应频率的关系。如果模型试验中 没有其它的重要因素，模型设计者可以自由选择模型结构的剐度和质量、响应 模态频率和适当的模型流体速度，从而保持了正确的频率关系。通过采用大尺 度模型可以进一步使模型的雷诺数接近实船的雷诺数。当在拖曳水池和循环水 槽内单独对立管的剖面进行试验时，通常使用这种方法。 然而，如果立管模型是浮式生产储油船系统的一部分，或者关心柱形浮筒 的漩涡脱落( 这两个试验必须在傅汝得相似条件下进行，因为波浪在总体响应 中是重要的) ，那么频率相似因子已被确定了( 七) ，构件如立管的质量和刚度 也被事先确定了。而且水流的速度因子是矿“。幸运地可以看出将这些因子带入 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 2 5 可压缩性 除非在设计船舶的螺旋桨和侧推器时，在海洋工程中通常不考虑水和空气 的压缩性影响。螺旋桨和侧推器的设计是专业项目，通常由制造商和专业试验 实验室来考虑，在此我们不予考虑。 3海洋环境因素模拟 海洋环境因素的模拟对于海洋结构物的合理设计是至关重要的。只有在正 确模拟海洋环境因素的基础上才能够确定作用在海洋结构物上的载荷。相对于 其它工程结构物，对于海洋结构物环境载荷更加重要。 需要考虑的海洋环境因素设计参数通常包括以下方面： 1 1 风速和风向，以及海面上高度和平均周期的影响； 2 ) 波浪的波高、周期和方向，重现的概率和流的影视，海底的地址特征： 3 ) 水深和随着潮汐水深的变化： 4 ) 潮汐的速度和方向以及存在的其它流； 5 ) 空气和海水温度： 6 、雪和冰： 7 ) 在结构物上生长的海洋生物。 海洋结构物所受的主要环境力来自于表面波浪。设计中使用的波浪参数包 括波高、周期、方向和被谱。应该记住，引起结构物整体最大响应的波浪可能 和引起结构物局部构件最大响应的波浪不同；引起结构物整体最大响应的波浪 可能不是设计的临界波浪 控制疲劳寿命的可能是较小的，但发生频率较高的 波浪。 在海洋结构物的设计中，涉及到主要的波浪运动是由于风的作用而产生的。 波浪运动过程的机理，包括：由于最初发生的湍流引起的压力场和造成的波面 变形之间的共振机理；由于有效波高引起的风场的变化导致了能量传递；波浪 与波浪之间的相互作用中，由短波到长波的能量变换；以及波浪的破碎以保持 对给定频率的波能量输入和波浪破碎过程中湍流能量之间的平衡状态。上述不 同的物理过程都假定为随机过程，是不同波高、不同周期、不同传播方向波浪 叠加的结果。由于对设计波浪条件形成过程的描述还不完全明白，在某种程度 上表达式是半经验关系式。波浪表达式的三要素是： 1 ) 确定性的波浪理论： 2 1 随机波浪的概率特性 3 ) 波能量谱密度方法。 3 1 确定性的波浪理论 1 6 海洋结构物环境适应性物理模拟研窒 目前常用的波浪理论有：a i r y 波理论、 波理论。由l a p l a c e 方程及相应的边界条件 3 1 1 a ；r y 波理论 椭圆余弦波理论、s t o k e s 有限审稚 审券菇萎强曦慢婵堪匾。 黧堡目彳驰楚乳d 酿聪飘娶掣黧叠到裂；缀鞘醋；鬟割箨掣影蓊雪；器 蓦霪兆。鲤廷s 箱当鞫j # 集磊耩 囊一| 戮篡苄音筒帚埘j 耋l | i 。叠i i ! _ q ，海底的地址特征： 3 ) 水深和随着潮汐水深的变化： 4 ) 潮汐的速度和方向以及存在的其它流； 5 ) 空气和海水温度： 6 、雪和冰： 7 ) 在结构物上生长的海洋生物。 海洋结构物所受的主要环境力来自于表面波浪。设计中使用的波浪参数包 括波高、周期、方向和被谱。应该记住，引起结构物整体最大响应的波浪可能 和引起结构物局部构件最大响应的波浪不同；引起结构物整体最大响应的波浪 可能不是设计的临界波浪 控制疲劳寿命的可能是较小的，但发生频率较高的 波浪。 在海洋结构物的设计中，涉及到主要的波浪运动是由于风的作用而产生的。 波浪运动过程的机理，包括：由于最初发生的湍流引起的压力场和造成的波面 变形之间的共振机理；由于有效波高引起的风场的变化导致了能量传递；波浪 与波浪之间的相互作用中，由短波到长波的能量变换；以及波浪的破碎以保持 对给定频率的波能量输入和波浪破碎过程中湍流能量之间的平衡状态。上述不 同的物理过程都假定为随机过程，是不同波高、不同周期、不同传播方向波浪 叠加的结果。由于对设计波浪条件形成过程的描述还不完全明白，在某种程度 上表达式是半经验关系式。波浪表达式的三要素是： 1 ) 确定性的波浪理论： 2 1 随机波浪的概率特性 3 ) 波能量谱密度方法。 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 各长期海况的波浪服从w e i b u l l 分布： 胛) - l 侧叫白4 前两式中凰是有义波高；峨是平均波高；a 、b 为待定参数。 3 3 波能量谱密度方法 ( 3 5 ) 在波场频率范围内，上述的概率描述方法是有缺陷的。因为在公式中没有 保留不同频率的能量相对分布，需用波能量谱密度函数给出。虽然谱密度函数 的概念是由自相关函数的f o u r i e r 变换引出的，但由表面高程观测值的直接序列， 通过快速f o u r i e r 方法可更有效地计算观测值。尤其当数据点数n 为2 7 时，对基 本离散型f o u r i e r 系数仇 1 一1 2 专莩岬删吼 ( 3 6 ) 从上式可得到“初始”连续谱为： s ( 咖嘉弧 ( 3 7 ) 式中玩为仉的复共轭，而q2 2 疵耳 对于随机波浪荷载进行统计分析和表达，是进行海洋结构物动态响应分析 研究的前提和基础。在任一短期海况中，如果波浪是一零均值的随机过程的话， 统计特性可用功率谱密度来完全地确定。 当波浪为窄带的平稳随机过程时，波浪存在明显的主频率，因此波幅服从 r a y l e i g h 分布，而波高近似地等于波幅的两倍。于是，波高也服从r a y l e i g h 分 布，其概率密度函数为 脚，2 畚e 卅孓 n 。、 短期海况中波浪的统计特性常用有义波高符s 及波浪周期t 这两个特征参数 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 来表示。加上其出现频率，就可以组成波浪散布图。 经过对海洋波浪的长期观测和研究，已建立起四种常用的波浪谱模型 p i e r s o n m o s k o w i t z 波浪谱、j o n s w a p 波浪谱、i s s c 波浪谱和i t t c 波浪谱。 3 3 1p je r s o n m o s k o w i t zi 6 浪谱 驰) = 等e x p ( _ 等 ( 3 9 ) 其中a = 0 0 0 8 1 ；= o 7 4 ；国。g u ，u 为静止海平面以上1 9 5 米处的平均 风速。 3 3 2j o n s w a p 波浪谱 驰) = 等晰地s ( 争4 矿卧饥 ( 3 1 0 ) 其中口2 以当；盯2 吼当国 ( 为峰值频率) ；y 2 3 3 吒2 0 0 7 ：2 0 0 9 。 3 3 3 修正的p ie r s o n m o s k o w i t z 波浪谱 驰) = 号e x p - 务 ( 3 1 1 ) 其中对于i s s c 波浪谱：口= 4 8 8 瑶，露，卢= 1 9 4 8 露；对于i t t c 波浪谱 口= o 0 0 8 1 9 2 ，卢= 3 1 1 ，瑶3 。 3 3 4 方向谱 方向谱的一般形式为f ； 萋；墓爱i 3 龚! 曼器薯j 耋! i ；。；l 发挥大学教育中大学生主体功能，开展自我管理，培养 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 来表示。加上其出现频率，就可以组成波浪散布图。 经过对海洋波浪的长期观测和研究，已建立起四种常用的波浪谱模型 p i e r s o n m o s k o w i t z 波浪谱、j o n s w a p 波浪谱、i s s c 波浪谱和i t t c 波浪谱。 3 3 1p je r s o n m o s k o w i t zi 6 浪谱 驰) = 等e x p ( _ 等 ( 3 9 ) 其中a = 0 0 0 8 1 ；= o 7 4 ；国。g u ，u 为静止海平面以上1 9 5 米处的平均 风速。 3 3 2j o n s w a p 波浪谱 驰) = 等晰地s ( 争4 矿卧饥 ( 3 1 0 ) 其中口2 以当；盯2 吼当国 ( 为峰值频率) ；y 2 3 3 吒2 0 0 7 ：2 0 0 9 。 3 3 3 修正的p ie r s o n m o s k o w i t z 波浪谱 驰) = 号e x p - 务 ( 3 1 1 ) 其中对于i s s c 波浪谱：口= 4 8 8 瑶，露，卢= 1 9 4 8 露；对于i t t c 波浪谱 口= o 0 0 8 1 9 2 ，卢= 3 1 1 ，瑶3 。 3 3 4 方向谱 方向谱的一般形式为f ： 岛( 戗口) 2 & ( 回g ( 珊，臼) ( 3 】2 ) 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 式中g ( c o ，口) 为方向分布函数，它满足以下条件，既 e g ( 戤o ) a o = 1 但通常认为波浪能量仅在主波向两侧( 分布函数也可以满足以下条件： 压g ( 妣o ) a o = 1 2 最简单的方向分布函数的形式为 g ( ，回= k c o s ”0 ( 3 1 3 ) 厅石 2 2 。内分布和传递。因此，方向 其中k ，1 1 为系数，是与，目无关的常数，由式( 3 1 4 ) 得 k = 二 n = 2 时， ” 七：旦 n = 4 时， 3 石 3 4 造波技术 3 4 1 规则长峰波 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 进行规则波试验可以用来帮助理解响应的菲线性，也用于校验模型试验结 果和理想条件下的数值模拟的结果的关系。然而浮式生产储油船大量模型试验 是在模拟真实海况下的随机波浪或者不规则波浪条件下进行的。 当使用规则波时，需注意波的质量，因为随着波在水池内的传播将会快速 衰减。当波质量很差时，试验的目的就失去了。 3 4 2 随机长峰波 海中实际的波浪是随机和多向的( 或者是“短峰波”) ，然而在水池内经常 使用单向或者“长峰”随机波作为真实海况的模拟。从许多海洋结构物可以看 2 0 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 射壁，那么理论上每一个方向上的波成分都会被反射。在这种情况下可能通过 控制造波机在整个水池内( 包括与造波机和消波器很近的区域) 造出一个均匀 的对称多向波谱【12 1 。非对称多向波谱可能仅存在于水池的部分区域( 无论池壁 是反射或者消波的) ，因此如果需要这种波，浮式生产储油船的模型必须在这个 限制区域内进行试验。 关于概率分布的说明和使用正弦波方法的危险在此同样存在。理论上能够 模拟特定的波列存在同样的好处，但不幸的是在实际的海洋环境中测量多向波 的能力远远落后于在水池内的造波能力。 数值模拟指出由于波浪相互之间作用的非线性，短峰深水波的最高波峰可 能比相应的长峰波小2 f l3 1 。当评估甲板上浪或者气隙时，此差异可能很重要。 3 4 4 双模态( b 一m o d a1 ) 和双向波谱，。 善 、1 7 在海中同时遭受一个当地的风生浪和一个从远处传来的涌躏是普通的。这 说明作为个波谱会有两个能量峰值( 如双模态) 。这两个波成分经常在不同的 方向上( 如双向) 。对于锚泊浮式系统如浮式生产储油船这种海况可能更重要， 因为它们可能导致没有最优的气象方向，从而引起大的波浪运动。 这些海况代表了短峰随机波的一个特例，并在理论上能够在具有造全多向 随机波浪能力的任水池模拟。然而，如果要求的波浪成分间的角度大于9 0 0 ， 通常仅可能在两壁具有造波机的水池才能造出。涌流的成分可以被认为是单向 的或者是长峰的，因此对于此类试验一钡d 具有单商造波机和相邻一侧具有多向 造波机的水池即可完成【14 1 。 3 5 在水池上造风 风是海洋结构物设计的一个重要环境差数有两个原因：第一，海洋结构物 必须能够承受风自身作用在其上面的力。第二，风的速度和方向影响波浪的波 高，波形和方向。 为了满足上述要求，要求给出平均时间从3 秒到2 4 小时的不小于5 0 年重 现期的临界风速。通常为海面上1 0 米高度处的估计值。此外，有时如疲劳设计 可能用到脉动阵风风谱。由于海洋风资料较少，可以使用陆地的风资料如英国 标准协会的b s 8 1 0 0 【1 ”。 在水池上造风是必须的，因为如果要正确模拟浮式生产储油船的运动必须 模拟由于风和浪作用引起的力。风的存在可能对陡波的形状有影响，引起不对 称性，而不对称性对于波浪拍击和甲板上浪很重要。 当少数较小的造波设备可以安装在风洞内时，此时可以造出高质量的流动 海洋结构物环境适应性物理模拟研究 射壁，那么理论上每一个方向上的波成分都会被反射。在这种情况下可能通过 控制造波机在整个水池内( 包括与造波机和消波器很近的区域) 造出一个均匀 的对称多向波谱【1 2 】。非对称多向波谱可能仅存在于水池的部分区域( 无论池壁 是反射或者消波的) ，因此如果需要这种波，浮式生产储油船的模型必须在这个 限制区域内进行试验。 关于概率分布的说明和使用正弦波方法的危险在此同样存在。理论上能够 模拟特定的波列存在同样的好处，但不幸的是在实际的海洋环境中测量多向波 的能力远远落后于在水池内的造波能力。数值模拟指出由于波浪相互之间作用的非线性，短峰深水波的最高波峰可 能比相应的长峰波小2 1 3 j 。当评估甲板上浪或者气隙时，此差异可能很重要。3 4 4 双模态( b 一m o c l a l ) 和双向波谱 ，。 善 、1 7 在海中同时遭受一个当地的风生浪和一个从远处传来的涌躏是普通的。这 说明作为个波谱会有两个能量峰值( 如双模态) 。这两个波成分经常在不同的 方向上( 如双向) 。对于锚泊浮式系统如浮式生产储油船这种海况可能更重要， 因为它们可能导致没有最优的气象方向，从而引起大的波浪运动。 这些海况代表了短峰随机波的一个特例，并在理论上能够在具有造全多向 随机波浪能力的任水池模拟。然而，如果要求的波浪成分间的角度大于9 0 0 ， 通常仅可能在两壁具有造波机的水池才能造出。涌流的成分可以被认为是单向 的或者是长峰的，因此对于此类试验一钡d 具有单商造波机和相邻一侧具有多向 造波机的水池即可完成【1 4 】。 3 5 在水池上造风 风是海洋结构物设计的一个重要环境差数有两个原因：第一，海洋结构物 必须能够承受风自身作用在其上面的力。第二，风的速度和方向影响波浪的波 高，波形和方向。 为了满足上述要求，要求给出平均时间从3 秒到2 4