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1、A辑第14卷第4期 水动力学研究与进展 Ser.A,Vol.14,No.41999年12月 JOURNALOFHYDRODYNAMICSDec.,1999舰船在波浪中补给的运动性能研究a谢 楠(中国船舶科学研究中心,无锡214082)姜滨 李平 龚三(海军论证中心舰船所,北京100073)周德才(中国船舶科学研究中心,无锡214082) 摘 要 本文介绍舰船在波浪中补给时的运动响应理论计算方法,运用三维势流理论计算两船的水动力相互作用和波浪扰动力。根据两船的相对运动进行两船补给时的相碰概率预报。预报结果
2、与水池船模试验进行了初步验证,吻合较好。关键词 舰船补给,运动响应,波浪,三维势流理论,水动力相互作用,数值计算,船模试验分类号 U661.31 概述许多海上作业包含两个或多个彼此相邻浮体,例如,油轮与海洋平台之间、供应船与钻井船之间以及海上船舶之间的补给等作业。由于相邻物体的水动力相互作用,每个浮体在波浪中的运动特性与仅有单个物体的情形是不同的。作用在海上结构上的力包括:惯性力、重力和粘性力。对于大型浮体在波浪中的响应,研究与实际表明,流体粘性的影响可以忽略。因此,本文使用的方法是基于线性势流理论。采用线性势流理论意指可以使用迭加
3、原理。作用在浮体上总力(矩)包括:入射波力、绕射力、辐射力、静恢复力及系缆力等。其中流体静恢复力及系缆力不受相邻物体存在的影响,仅与物体的位置有关,而其他水动力将会发生变化。由于其中的一个物体处在相邻物体的绕射波浪场中,因此,它所受的波浪力(矩)与单个物体的情况不同。同样,由于物体的运动产生的水动力(辐射力)也不同于单个物体的情形,相邻物体的辐射波也会产生水动力(矩)。单个浮体在波浪中的运动响应的理论计算和模型试验研究,国内外已开展了大量工作[1][2][3][4]。对于两体问题则不多见。大楠 用二维切片法计算了两个物体的水动力相互
4、作用。[5]Oortmerssen则使用三维方法计算了圆柱与方盒的相互干扰水动力系数并与模型试验结果进行比较。本文采用三维方法计算舰船(海洋平台)在波浪中补给时的运动响应。在两个物体a本文于1999年3月26日收到。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.谢楠等:舰船在波浪中补给的运动性能研究511的湿表面上分布源汇,求出绕射和辐射波流场,两船(平台)间的系缆用线性弹簧模拟。解两个浮体在规则波中的联立运动方程得浮体的响应和相对运动传递函数,用迭加原
5、理计算响应和相对运动统计值及相碰概率。通过与某舰、艇的海上补给船模试验结果的初步比较,说明所建立的数学模型和计算程序是正确的。图1 坐标系定义2 理论概述考虑两个任意形状的三维物体在波浪中的运动响应。假设物体和波浪运动是微幅振荡,流动是理想不可压的。建立三个空间固定直角坐标系,如图1所示。oxy,G1x1y1平面和G2x2y2平面在未扰动水面内,oy,G1y1轴和G2y2轴指向左舷;oz,G1z1轴和G2z2轴垂直向上为正。两个物体的水平间距为s,水深为d。设两物体在规则波中的六自由度响应分别为:q-iXtyi=yie(2.1)l-
6、iXtzi=zie(2.2)ql式中yi、zi(i=1,⋯,6)分别表示两物体运动的复振幅。i=1,2,3分别表示物体的纵荡、横荡和垂荡,i=4,5,6表示物体的横摇、纵摇和首摇。X是入射波的频率。入射波的波面方程为:lik(xcosL+ysinL)-iXtF=Fe(2.3)l式中F是波幅,k是波数,L为浪向,L=180°是顶浪,L=90°是左舷横浪。流场的速度势为:-iXt5(x,y,z,t)=Re(U(x,y,z)e)(2.4)则总速度势可分解成:66l(1)q(2)lU=-iX[(U0+Ud)F+∑Ujyj+∑Ujzj](2.
7、5)j=1j=1式中U0是入射波速度势:gchk(z+d)ik(xcosL+ysinL)U0=e(2.6)Xchkd©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.512水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第4期g是重力加速度。Ud是绕射势,满足如下定解条件:2ýUd=025UdX-Ud=0z=05zg5Ud5U0=-S15n5n(2.7)5Ud5U0=-S25n5n5Ud=0z=-d5z25UdXlimr(-iUd)=0r→∞5
8、rg22(1)其中r=x+y。Uj,j=1,⋯,6,是物体S1第j个模式的单位振幅运动引起的辐射速度势,这时物体S2是固定不动的。它们满足Laplace方程、自由表面条件、海底条件和辐射条件及相应的物面条件:2(1)ýUj=0(1)2
