浮体水动力分析的基本理论
2 浮体水动力分析的基本理论
2.1 势流理论
流场中速度场是标量函数（即速度势）梯度的流称为势流（Potential Flow ）。特点是无旋、无黏、不可压缩。
简谐传播的波浪中具有浮动刚体的流场速度势可以分为三个部分：
1 （2-1）
为浮体运动产生的辐射势；波浪未经浮体扰动的入射势表示为 ； 为波浪绕射势，是波浪穿过浮体后产生的。
需要满足的边界条件有：
① 普拉斯方程（Laplace Equation ）：
（2-2） ② 底边界条件：
， （2-3）
③ 由表面条件：
， （2-4） ④ 没物体表面条件：
（2-5） ⑤辐射条件：
辐射波无穷远处速度势趋近于0
（2-6） 2.1.1 波浪力的组成
浮体浸入水中受到的力和力矩分别为：
??-=S
n p dS )*(F （2-7）
dS p S
??-=)*(*M （2-8）
S 表示浮体湿表面， 的方向是由浮体内指向流场。
用线性化的伯努利方程以速度势表达压力：
gz t
d t t r gz t p ρδδφδδφωδδφρρδδφρ
-++-=--=)( （2-9） 则 s d r F F F F +++=ωF （2-10） s d r M M M M +++=ωM （2-11） 辐射载荷表达为r F 、r M ，是由浮体强迫振动产生的；浮体固定时，入射波浪产生的载荷表示为ωF 、ωM ；浮体固定时，产生的绕射波载荷表示为d F 、d M ；静水力载荷表示为s F 、s M 。
2.1.2 附加质量与辐射阻尼
当浮体发生强迫振动时，其在j 方向和k 方向产生的耦合水动力包含附加质量和辐射阻尼两个部分：
?
???????-=????????-=????S k j S k j
kj dS n dS n M φφρωφφρIm N ，Re kj （2-12） ????????-=??????
??-=????S j k S j k
dS n dS n M φφρωφφρIm N ，Re kj jk （2-13） 如图2.1所示为波激力、附连质量力、阻尼力和回复力的叠加。
图2.1 波激力、附连质量力、阻尼力和回复力的叠加
2.1.3 格林第二公式
应用格林第二公式，两个单独的速度势关系可以表达为：
')(')('V '22
dS n
n dV k S j k k j j k j ???????-??=?-?φφφφφφφφ （2-14）
S ’为封闭体积V ’的封闭表面。体积V ’由一个假定的、直径为R 的圆形范围、深度为 的海底平面以及浮体湿表面积包围而成。应用边界条件，最终可以得出如下结论：
， (2-15)
这一结论说明对于六自由度运动的浮体，附加质量和辐射阻尼的6*6矩阵均为对称矩阵。
如图2.2所示为边界条件。
图2.2 边界条件
2.1.4 哈斯金德关系
浮体受到的波浪力/力矩可以表达为：
（2-16） Φk 为K 方向的辐射势，Φd 为绕射势是待求解的内容。在零航速条件下应用边界条件，根据格林第二定律可以给出辐射势与绕射势之间的关系：
dS n dS n S
d k k d
??????=??φφφφS (2-17) dS n dS n S
d k k d
??????=??φφφφ-S (2-18) 则式（2-16）可变为由辐射势和入射势求解的方程：
dS n
n i S d k t i e F K ????+??-=-)(ωωωφφφφρω (2-19) 对于零航速的水动力求解问题，波浪激励可以由入射波和辐射波表达。
在某dS n
i S k d t i e F K ????+-=-φφφρωωω)(
些可以进行水动力计算的软件中（如WAMIT），求解辐射-绕射势得出的结果可以与应用哈斯金德关系求出的结果进行对比，这二者的结果应是一致的。
2.1.5 切片理论
切片理论是一种水动力问题求解的近似方法。对于长宽比较大（L/B≥3）、具有航速或零航速的船舶，在计算船体水动力时，可以假定船体由许多横剖面薄片组成，每片都认为是无限长柱体的一个横剖面，最终将三维水动力问题转换为二维水动力问题求解。通过计算船体每个典型剖面的水动力系数，沿着船长积分最终求出整体的附加质量、辐射阻尼和波浪力。如图2.3所示是船体的一个“切片”示意图。
切片理论在船舶水动力分析理论发展中占有非常重要的地位，主要包括三种基本方法：
①厄塞尔法（Ursell method）：求解圆柱截面水动力问题。
②保角变换法（Conformal mapping）：包括李维斯保角变换和渐进保角变换等，求解近似船体截面形状的水动力问题。
③塔赛法（Tasai Theory）：结合厄塞尔法与保角变换的二维切片法。
④弗兰克汇源法（Frank Theory）：用于船型截面水动力求解。
图2.3 船体的一个“切片”示意
2.1.6 面元法
当结构物比较大时，规则波下的载荷和运动响应可以用面元法来分析，这在研究过程中比较常见。一般来说，网格的单元质量会影响计算精度，且这种影响不可忽略，因此，一般遵循以下原则来保护计算精度：
①面元不能过大，最大不能超过计算波长的1/7。
②结构湿表面的几何尺度变化要能够被充分表征出来，例如：圆柱结构的
单元布置应至少围绕圆周布置15个，这样才能充分捕捉几何尺度的变化；
对于一些不规则的部分，应尽量降低网格的尺寸。
③应尽量保证单元分布均匀，距离不易过近。
④可以通过多次试算来保证精度。
⑤对于面元法而言，单元之间可以不连续（如图2.4所示）。
应用三维势流源汇法的计算，有时候会出现明显的前后数据趋势的不一致，这属于正常现象，因为面元法模拟的是一种“虚拟”的流体运动。可以通过对浮体内部自由表面建立控制单元来去除这种不规则的频率。
面元法计算结果中的“不规则频率”对应的水动力计算结果出现很明显的跳跃，与前后数据趋势不一致，是三维势流源汇法所具有的特殊现象，其表示的是船体内部虚拟流体运动的特征频率，而实际上这一“虚拟”的流体运动实际上并不存在。
图2.4 对水线附近进行网格加密处理的TLP平台面元模型一般随着水动力计算频率的增加，不规则频率会陆续出现。增加面元模型的单元数目能够降低不规则频率计算结果的震荡范围，但不能根本上去除不规则频
率。一种常见的去除不规则频率的方法是“加盖”法（Lid Method），对浮体内部自由表面建立控制单元，形成一个“盖子”来起到去除不规则频率的作用。2.2 波浪载荷
2.2.1不同特性波浪载荷适用范围
一般来说，结构尺度的大小相对于波浪波长的大小会影响波浪载荷的特性，且这种影响是显著的。当结构物的特征长度比波长的六分之一大时，即D>λ/6时，结构物本身对波浪的影响也是十分显著的；而当结构物的特征长度比波长的五分之一还小时，即D<λ/5时，这种影响就小到基本可以忽略。因为，此时，黏性载荷和惯性载荷才更重要。
在海洋工程浮体分析中，诸如、半潜平台、平台、TLP、重力式混凝土平台(GBS)以及其他工程船舶（起重船、铺管船、驳船等）都属于大型结构物，其绕射作用不可忽略。一般钢桩导管架、桁架式自升平台的桩靴、Truss Spar 的桁架结构、垂荡板结构以及其他小直径结构物适合使用莫里森公式进行波浪载荷计算。
波浪载荷特性与结构特征长度D以及波长λ、波高h的关系如图2.5所示。
图2.5 不同特性波浪载荷适用范围
黏性载荷（拖曳力载荷）（Drag Load）：在流体的黏性特性作用下，小尺度结构物受到的压力拖曳力与摩擦拖曳力。
绕射载荷（Diffraction Load）：由于结构尺度较大，其对于流场的影响不可忽略，结构此时不可穿透。结构存在使得波浪产生变化并产生绕射作用，其对于波浪载荷的修正即波浪绕射力。
惯性载荷（Inertia Load）：产生于流体水质点相对于结构的加速度作用。可以认为是绕射作用中的一个特例，即波浪并没有收到结构存在所产生的影响。
图2.6 Truss Spar与具有横撑的半潜钻井平台对于一些大尺度、小尺度结构共存的浮体（如图2.6中的Truss Spar与具有横撑/斜撑的半潜平台），想要真实地计算结构整体受到的波浪载荷，需要同时
考虑大尺度部件的绕射波浪载荷以及小尺度结构部件的黏性波浪载荷。
2.2.2 波浪载荷的周期特征
对于系泊在指定位置并长期服役的海上浮式平台，其在服役期内持续受到风、浪、流的共同作用，会产生不同的运动，可分类如下：
波频载荷与波频运动（Wave Frequency Load and Motion, WF）；
低频载荷与波频运动（Low Frequency Load and Motion, LF）；
高频载荷与波频运动（High Frequency Load and Motion, HF）。
波频载荷量级最大，能量范围最广（5-20s），浮体在波频载荷的作用下产生波频运动。波频载荷无时无刻都存在，因而使得浮体六个自由度固有周期避开波频载荷的主要能量范围，避免共振，降低浮体响应是海洋工程浮体设计中非常重要的一项设计原则。
表2.1 典型浮体运动固有周期（单位：S）
运动自由度FPSO SPar TLP 半潜纵荡>100 >100 接近或大于100 >100 横荡>100 >100 接近或大于100 >100 升沉5-20 20-35 <5 20-50 横摇5-30 >30 <5 30-60 纵摇5-20 >30 <5 30-60 艏摇>100 >100 接近或大于100 >50 低频波浪载荷是关于两个规则成分波频率之差（）的波浪载荷。由于系泊浮体平面内运动固有周期（纵荡、横荡）与艏摇固有周期较大，对应运动自由度的整体阻尼较小，在低频波浪载荷作用下系泊浮体这三个自由度的运动下易发生共振，即二阶波浪载荷导致的低频运动。如果浮体其他自由度的运动固有周期较大，也有可能在低频波浪载荷的作用下产生共振（譬如Spar的较大的升沉与横纵摇固有周期）。
高频波浪载荷中的和频载荷是关于两个波浪成分波频率之和（）的波浪载荷。在张力腱系统的约束下，TLP的升沉、横摇、纵摇固有周期在5s以下（频率大于1.25rad/s），容易在和频波浪载荷作用下产生高频弹振。
高频波浪载荷还有另外一种非常重要的类型，即高速航行的船舶由于多普勒效应产生的波浪遭遇频率升高，波频载荷在高遭遇频率下与结构共振频率接近并产生弹振。
其他的高频波浪载荷还包括底部抨击、外飘抨击等。
2.2.3 平均波浪力
对于无限水深的直立墙壁，波幅为A的规则波作用在墙上的平均力为：
(2-20) 其中β为规则波的入射角。
对于水面上无限长的圆柱体，波浪作用在浮体上的一部分被反射，波浪作用在其上的平均波浪力可以表达为：
（2-21）为对应入射波的反射系数。
不进行任何约束，浮体在规则波的平均载荷作用下逐渐偏离原位置，因而这
个平均载荷习惯性地称为“波浪平均漂移力”。
平均漂移力的计算方法主要有远场法、近场法、中场法以及控制面法，主要
特点如表2.2所示。
表2.2 波浪平均漂移力计算方法特点对比
远场法（Maruo-Newman Method, Far-field Method），一种出现较早的平均漂移力求解方法。采用船体与无穷远处控制条件，通过动量方法求解浮体纵荡、横荡以及艏摇方向的波浪平均漂移力。远场法计算精度较高，但只能计算三个自由度的平均漂移力载荷。远场法不能用于多体耦合状态下的浮体平均漂移力求解。
近场法（Pinkster Method, Near-field Method）也称为直接积分法，基于势流理论假定，对浮体表面的压力进行积分，精确到波幅的二阶，从而求得浮体所有六个自由度的平均漂移力。近场法可以给出六个自由度的平均漂移力载荷，但计算精度依赖于面元网格质量，在尖角位置收敛性较差。近场法可以求解多体耦合的平均漂移力。
中场法也称为中场公式或陈晓波法。在一个包围浮体并距离浮体一定位置的面进行载荷求解，避免了压力直接积分的精度误差并给出六个自由度的平均漂移力计算结果。中场法可以求解多体耦合的平均漂移力。
控制面法（Control Surface Method）：在浮体与自由表面交界的位置定义控制面，通过动量/通量原理计算平均漂移力。控制面法能够给出精度较高的关于浮体六个自由度的平均漂移力。
远场法和近场法是应用较为广泛的计算方法，近场法因为计算精度依赖面元模型划分情况，精度不确定，远场法计算结果精度较高，通常将近场法计算结果与远场法计算结果进行对比校验，以检验近场法计算结果的精度以及侧面验证面元模型的网格质量。
2.2.4 低频波浪载荷
低频载荷主要包括两部分：低频风载荷和低频波浪载荷。流载荷由于变化的周期非常长，很难与系泊结构产生共振，因而通常流载荷被认为是定常载荷。低频风载荷和低频波浪载荷对于系泊浮体的影响程度不同，但一般而言，相比于低频波浪载荷，低频风载荷的影响较小。
从量级上看低频波浪载荷小于波频载荷，但低频载荷由于与系泊浮体的平面运动自由度（纵荡与横荡）以及艏摇运动固有周期接近，其产生的共振成为系泊浮体产生较大平面偏移（Offset）的主要因素。
低频波浪载荷对于系泊系统的影响主要包括：
（1）低频波浪载荷是二阶低频波浪载荷，不同于波频载荷，二阶低频波浪载荷以正比于波浪幅值的平方，因而在恶劣海况下，低频波浪载荷量级增加明显。
（2）系泊浮体纵荡、横荡以及艏摇运动自由度的固有周期较长，频率较低，与低频波浪载荷容易产生共振，加之系泊系统（包括船体）阻尼量较小，因而当低频波浪载荷作用在系泊浮体系统时，平台将在平均载荷作用下的平衡位置附近产生明显的平面偏移共振，对系泊系统产生较大的挑战。
以一个系泊的驳船为例，一段时间的波高变化的时间历程产生以下三部分主要影响（图2.7）：
（1）波浪的平均载荷作用在系泊驳船上，驳船产生一个稳定的位移偏差（Mean Displacement）。
（2）波浪作用在系泊驳船，产生一阶的波频运动（First Order Motion）。
（3）波浪的低频成分（包络线）作用在系泊驳船上，产生二阶的低频运动（Second Order Motion）。
图2.7波浪与系泊驳船的运动响应
上图中Λ为波浪低频包络线与驳船系泊状态下纵荡运动固有周期的比值，可以发现：当低频波浪载荷与运动固有周期接近的时候，低频载荷作用与系泊驳船固有周期产生的共振程度越大，所导致的低频运动幅值越来越大。
低频波浪载荷传递函数QTF：二阶差频波浪载荷是系泊浮体产生低频运动的重要因素之一，它可以认为是不规则波中两列不同的规则波成分相互作用产生的，可以用二次传递函数QTF（Quadratic Transfer Functions）来表达和估计。二次传递函数是两个相互影响的规则波频率的函数，与波幅无关。求QTF的方法主要有Newman近似法和全QTF矩阵法。
（1）Newman近似法
对于N个波浪单元，低频波浪载荷的一般公式为：
(2-22) 式（2-22）中的所有震荡项在长周期中的均值为0，因而i=j时会出现与时间无关的项，即：
(2-23) 式（2-23）代表了波幅为A j、圆频率为ωj的规则波引起的平均波浪载荷。
Newman（1974）提出了、可以通过、和、来估计，即：
(2-24)
(2-25) 上式中、、、为平均波浪载荷的计算结果。和为同相和异相的、独立于时间的传递函数，即QTF。更一般地，Newman近似法关于两个成分波的低频波浪载荷的二次传递函数可以表达为：
(2-26) 可以发现，Newman近似得到的QTF矩阵实际上是只包含矩阵对角线项的结果矩阵（同相位），忽略了非对角线的结果（异相位）的影响。
Newman估计法计算简便，精度可以满足一般要求，得到了广泛的应用。
（2）全QTF矩阵法
的一般表达式为：
（2-27）
dl n n N g j i j i WL 22
211)cos(41A ++-=?εεξξρ (2-28) dS N A i i ||*||S 4
102φφρ??=?? （2-29） dS N t X S
A j i )*(2103???=
??φρ （2-30） gj i S X R M 2
1A 4= （2-31） dS N S t
A ????=
0)2(5φρ （2-32） 式中：WL 为浮体水线；ζr 为相对波面升高；S 0为浮体湿表面；X 为浮体运动；
M S 为浮体质量；R 为浮体转动矩阵；
为浮体重心加速度向量；A 1为水线积分项；A 2为伯努利方程项；A 3为加速度项；A 4为能量项；A 5为二阶速度势项。
二阶速度势不影响QTF 矩阵的对角线项（即平均波浪载荷项），但是影响矩阵中的非对角线项。
浅水条件对二阶速度势的影响导致二阶力发生显著的变化。对于浅水系泊物，忽视水深对二阶速度势的影响会低估环境载荷，这不利于系泊系统的安全。对于深海浮式结构物，由于有立管等结构的存在，往往对计算精度的要求较高，使用全QTF 矩阵法进行低频载荷计算能够取得更理想的结果。
2.2.5 高频波浪载荷
高频波浪载荷包括波浪载荷中的和频成分，该载荷作用在张力腿平台（TLP ）引起弹振；也包括船舶高速航行时较高的遭遇频率所引起的一阶波浪载荷以及抨击载荷等。
（1）和频波浪载荷
和频波浪载荷类似于低频波浪载荷，所不同的是，低频波浪载荷是波浪成分中两个波浪成分差频产生的，而和频载荷是由两个波浪成分的和频产生的。
对于N 个波浪单元，和频波浪载荷可以简单地表达为：
(2-33)
典型张力腿平台的升沉、横摇、纵摇固有周期在2-5s附近，使得和频载荷激励下产生共振成为可能，某些情况下和频载荷产生的激励有可能大于波频载荷所造成的影响，而更高阶的载荷会产生更多的激励影响，这一点与低频载荷的特性有很大的区别。
二阶和频传递函数QTF的确定不同于二阶差额QTF。对于二阶差频载荷，采用Newman近似，忽略二阶速度势影响，可以在大多数情况下给出较好的模拟效果，但对于二阶和频载荷，二阶速度势的影响以及和频QTF对非角线载荷的影响不可忽视。准确地计算二阶和频载荷传递函数非常重要，和频传递函数的计算需要非常精细的船体和自由表面网格，而且要求计算周期的间隔非常紧密（尤其是在高频区域），以充分捕捉和频载荷成分影响，这导致整个和频QTF求解计算耗时非常长，某些情况下长时间的计算结果精度也并不能很好地得到证明。
在二阶和频作用下，张力腿平台的运动响应幅值很大程度上依赖于阻尼的情况。由于水动力计算可以提供辐射阻尼，一定程度上存在不确定性的黏性阻尼对张力腿平台高频运动自由度（升沉、横摇以及纵摇）运动响应影响较大。
如图2.8所示为TLP面元模型与自由表面模型。
图2.8 TLP面元模型与自由表面模型
（2）高遭遇频率的一阶波浪载荷
当船舶具有航速时，由于多普勒效应，波浪频率ω对于船舶的遭遇频率ω
p 为：
(2-34) 其中U为船舶航速，β为船舶航向角。
当船舶以高航速航行时，频率随着航速增加而增加，此时船舶受到的波浪载荷是高频的一阶波频载荷。
（3）抨击载荷
抨击载荷包括结构物入水、外飘结构的抨击等，更多地呈现强烈的非线性特征。对于圆柱体单位长度结构，其受到的抨击载荷可以用下式进行估算：
（2-35）
C S 为抨击载荷系数，
D 为结构直径，V 为结构件相对于水的相对速度。 2.2.6 大尺度结构物的流载荷
大尺度结构物对流载荷的模拟与风载荷类似。定常流作用下的结构物会有沿着流速方向的平面力以及绕着Z 轴方向的艏摇力矩。定常流作用下浮体受到的流载荷包括六个方向力/力矩：
(2-36)
(2-37)
(2-38) (2-39)
(2-40)
式中 、 、 为F X 、F Y 、M Z 方向的流力系数，U C 为流速与结构之间的相对速度，A CX 、A CY 为受流力部件的迎流面积，C YB 、C XB 为对应方向流力作用在船体上的作用点。
2.2.7 静水力载荷
静水压力表达式为：
(2-41)
式中：Z 为水面以下某点相对于静水面的深度。
浮体浸入水中所受到的浮力为：
（2-42）
式中：S w 为浸入水中湿表面面积； 为方向向量。
在船舶静力学中，船舶的横稳性高度定义为：
(2-43)
其中： ， ， （浮心、重心都以船底基线为原点）。
船舶的纵稳性高度定义为：
（2-44）
?-=Sw
zndS F 0
那么对于横摇方向静水刚度K44和纵摇方向静水刚度K55，就可以用稳性高度来表达：
(2-45)
(2-46) 船舶垂向的刚度是由水线面提供的，在吃水变化不大的前提下，垂向静水刚度K33由下式表达：
（2-47）
A w为水线面面积。
船舶水动力学习汇报
多体船水动力性能最新研究进展 汇报人：杨博 本次汇报内容 1、多体船发展历史 2、多体船水动力研究方法 3、多体船未来趋势
多体船发展——三体船 三体船由三个船体组成，中间的主体主尺度较大，两侧 各有一个大小相同的辅助船体。目前世界各国建造的三 体船主要有两种形式：一种是Tricat三体船, 它是两个细长片体的中间布置了一个伸出片体的船首，进而形成了一 种双体船加一个船首的三体船型，如1999年，澳大利亚 Austal公司建造的Tricat三体旅游船，该船在7级风、浪高 2.5 米的海浪下能消除船首砰击，有效地减少船在浪髙2.5 米以上的海浪中的纵摇运动；另一种是Trimaran三体船，它是一个细长船体和两个舷外浮体相结合形成的一种三 体船型，如泰晤士渡船公司建造的髙Trimaran三体船“埃 比尼泽.斯克鲁奇”号，该船在试航和使用过程中反映出 良好的快速性、机动性和稳定性。 多体船发展——三体船
多体船发展——三体船 优势：适航性优于单体船且中高速阻力性能优于单体船和双体船，具有更宽的甲板，有利于舱室的布置；三体船具有很好的隐身性，侧体的存在使得其稳性得到了提高从而提高了生存能力。 劣势：其缺点是结构复杂，重量较大，设计难度大，操纵性稍差，建造、下水、锚泊和进坞比较困难。在稳定 性较好的同时必然要承受较大的弯曲和扭转力矩 发展：英国在三体船建造实验上具有领先优势，2000年英国海军耗资1300万英镑研制的世界“海神”号试验舰 建成下水。美国最早与英国合作研制三体舰，曾一起参 与“海神”号试验，对舰体结构、运动等数据进行了记 录和分析。后来美国独立进行三体舰概念设计，2008年 建成下水的三体船型濒海战斗舰“独立号”。 多体船发展——五体船 五体船的高速状态下的阻力小，高海况下的失速 也非常小，有良好的快速性和适航性。与三体船 相比，其两对小侧体有利于提高船舶的破舱稳性 ，在高速航行时发生埋首现象的频率也比较低， 同时，其甲板面积更加宽阔，有利于总布置。五 体船的诸多特点使其非常适用于大型髙速客货渡 轮和军用舰船。
129-24 摆式波能转换装置的水动力分析模型
摆式波能转换装置的水动力分析模型* 滕斌，陈文 （大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024） 摘要：基于势流理论分别建立了波浪与摆式波能转换装置作用的频域和时域分析模型，用于求解摆板运动过程、摆板表面压力、活塞作用力和俘获的能量。对于线性活塞模型和小振幅运动假设，开展了时域模型和频域模型的对比计算，验证了模型的一致性和正确性。应用频域模型，开展了活塞阻尼和波浪频率对俘获能量影响的系统研究，给出了转换装置的最佳阻尼和频率范围。对于非线性活塞模型，采用时域模型做了计算分析，给出了摆板运动响应、活塞作用力和俘获能量的时间历程及与波高的关系。 关键词：波能转换装置；摆式；水动力分析；数值模型 1 引言 随着世界能源日趋紧张，海洋能的利用[1]逐渐受到各国重视，波能作为一种绿色、可再生的新能源具有非常广阔的发展空间。目前，许多波能转换装置[2]-[4]相继开发出来，效率较高的装置类型主要有鸭式、振荡水柱式、振荡浮子式、摆式等。其中，摆式波能转换装置具有频率响应范围宽、可靠性好、常海况条件转换效率高、建造成本相对较低等许多优点。芬兰AW-Energy公司开发的WaveRoller式装置[5][6]和英国AquamarinePower公司与女王大学共同研发的Oyster式装置[7]-[9]为常见的两种摆式波能转换装置形式，如图1、图2所示。这类摆式装置主要由摆板、转轴、传动系统部分组成，利用垂直于摆板方向的波浪作用，摆板绕摆轴前后摆动带动传动系统的活塞杆运动，进而将摆板俘获的波能转换为传动系统的机械能，最终通过其它装置将机械能转换为电能。 图1 WaveRoller式图2 Oyster式 对于线性和非线性的传动系统，本文分别建立了波浪与摆式波能转换装置相互作用的频域和时域分析模型，可用于分析摆式波能转换装置的摆板转动幅度、摆板表面的压力、活塞的作用力和俘获的波浪能量。 2 计算方法 2..1 水动力分析的频域势流方法 定义一右手坐标系Oxyz来研究波浪对三维结构物的作用问题，如图3所示，原点在平均静水面上，Z 轴垂直向上为正，X轴为波浪入射方向。物体表面定义为S B，自由水面S F，水平海底S D。 图3 坐标系和计算域定义图 假定流体不可压缩，无粘，运动无旋。速度势满足拉普拉斯方程 20 ?Φ=（1）*作者简介：滕斌（19-），男，教授。Email: bteng@https://www.wendangku.net/doc/f85368781.html,
大型深海结构水动力学理论与流固耦合分析方法
附件14 “大型深海结构水动力学理论与流固耦合分析方法” 重大项目指南 中国已经是世界上最大的能源消费国，油气消耗量和进口量均在持续增长。与此同时，我国现存的陆上和浅海区域的油气资源正在逐渐枯竭。积极稳妥推进深远海油气资源的开发和利用，将是缓解国家当前严峻的能源安全形势的必然战略选择。然而，与以往的近浅海工程作业相比，深海油气资源的开发不仅面临更加恶劣的海洋环境条件，而且大型新式深海工程结构装备的使用以及作业方式也有很大改变，这些都对现行的海洋工程分析理论和设计方法提出了新的挑战。世界范围内，各类深海工程事故频发，归根结底都是对大型深远海工程装备的水动力学特性和流固耦合作用机理以及相关基础问题缺乏科学的认识和理解，因此迫切需要开展相关科学问题的基础研究，为提高分析预报和工程设计水平、确保深海作业安全提供坚实的科学和技术支撑。 一、科学目标 以大型深海结构系统与工程环境的相互作用为核心，针对深海极端动力环境、非线性极端波浪与大型浮体结构的耦合作用、水下超细长柔性结构的动力响应开展系统化研究，发展大幅非线性不规则波浪理论、波浪对特殊形式结构作用的分析理论、非线性波浪与大型浮式结构作用的分析理论、超大长细比柔性结构动力响应分析方法和结构/系缆/立管耦合运动的分析方法，揭示极端深海工程环境与大型浮体结构系统的耦合作用机理，阐明相互作用规律，在深海工程的水动力
学基础理论、流固耦合分析方法和工程设计理论上取得突破，为中国南海深水油气开发提供理论指导、技术支撑和参考依据。 二、研究内容 （一）深海大幅表面波和内波流场分析理论。 针对深海大幅表面波和内波强非线性的特点，建立大幅非线性表面波和内孤立波流场高效层析模拟分析方法，研究大幅随机表面波波高、波峰及其最大流速的统计分布特性，结合内波观测数据开展大幅内波流场及其分布特征研究。 （二）非线性波浪对大幅漂移结构作用的分析方法。 研究波浪对浮体的非线性作用，建立非线性波浪、内波对大幅慢漂浮体作用的分析方法，研究浮体运动引起的频移效应和阻尼效应。 （三）复杂形状结构的波浪近场干涉作用机理和分析方法。 研究多柱、多体及月池结构的波浪近场干涉作用机理，极端非线性波浪的形成机理，共振条件下的水动力特性及对结构物的作用，复杂流动下阻尼的形成机理和作用机制，建立可靠的数值分析方法和试验模拟方法。 （四）超细长柔性结构流固耦合响应分析理论。 研究高雷诺数流动下振荡圆柱体的载荷与响应特性、大长细比柔性结构在洋流作用下的响应特性，建立高雷诺数下超细长柔性结构的流固耦合响应分析方法。 （五）深海浮体/系缆/立管运动的整体耦合动力分析方法。 研究综合考虑多因素（环境荷载、大尺度、柔性、超长细比）影响的深海结构整体耦合分析模型，涵盖从局部流场到宏观尺度的强非线性数值模拟方法，研究大型深海结构物的设计理论、方法及应用。 三、资助期限5年（2015年1月至2019年12月） 四、资助经费1500万元
【CN109837867A】一种浮式防波堤【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910155545.2 (22)申请日 2019.03.01 (71)申请人 武汉理工大学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 余文曌 杜希森 朱轲涵 余克宇 万沪川 韩素敏 林涛 张铮淇 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 张惠玲 (51)Int.Cl. E02B 3/06(2006.01) (54)发明名称 一种浮式防波堤 (57)摘要 本发明公开了一种浮式防波堤，包括漂浮主 体，漂浮主体为由多个空心混凝土浮箱首尾连接 构成的三角形浮桥，位于三角形浮桥三个顶点处 的空心混凝土浮箱上分别安装动力定位系统，位 于三角形浮桥的三条边中点位置的空心混凝土 浮箱分别与锚泊系统连接。本发明可以在环境变 化较频繁的海域建立满足使用条件的浮式防波 堤，其定位系统由动力定位系统和锚泊系统构 成，从而改善浮式防波堤难固定、易走锚的状况， 达到更好的定位效果；采用这种浮式防波堤，可 以减少箱体和锚链之间的碰撞， 进而减少损失。权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 109837867 A 2019.06.04 C N 109837867 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109837867 A 1.一种浮式防波堤，包括漂浮主体，所述漂浮主体为由多个空心混凝土浮箱(1)首尾连接构成的三角形浮桥，其特征在于，位于所述三角形浮桥三个顶点处的空心混凝土浮箱(1)上分别安装动力定位系统，位于所述三角形浮桥的三条边中点位置的空心混凝土浮箱(1)分别与锚泊系统连接。 2.根据权利要求1所述的一种浮式防波堤，其特征在于，所述动力定位系统包括海洋环境信息监测仪、滤波器(7)、控制器(8)和推进器(4)，所述海洋环境信息监测仪的输出端与滤波器(7)的输入端连接，所述滤波器(7)的输出端与控制器(8)的信号输入端连接，所述控制器(8)的信号输出端与推进器(4)连接；所述海洋环境信息监测仪用于测量海洋环境信息并传给滤波器(7)；所述滤波器(7)对接收到海洋环境信息监测仪测量的环境信息进行滤波，并将滤波后得到的状态估计量传给所述控制器(8)；所述控制器(8)接收滤波器(7)所得到的状态估计量，并根据控制算法计算得到期望信号再输出给所述推进器(4)；所述推进器(4)接收控制器(8)传来的信号，并产生相应的推力。 3.根据权利要求2所述的一种浮式防波堤，其特征在于，所述海洋环境信息监测仪包括海流计(6)、风速风向仪(5)，所述海流计(6)用于测量海洋中波和浪的环境信息并传给滤波器(7)，所述风速风向仪(5)用于测量海洋中风的环境信息并传给滤波器(7)。 4.根据权利要求3所述的一种浮式防波堤，其特征在于，所述推进器(4)固定在空心混凝土浮箱(1)外底部的四个顶点处，所述海流计(6)置于空心混凝土浮箱(1)的外底部中心，所述风速风向仪(5)置于空心混凝土浮箱(1)的外顶部，所述滤波器(7)、控制器(8)置于空心混凝土浮箱(1)内部并与海流计(6)、风速风向仪(5)、推进器(4)相连。 5.根据权利要求1-4任一项所述的一种浮式防波堤，其特征在于，所述锚泊系统包括锚链(2)和锚块(3)，位于所述三角形浮桥的三条边中点位置的空心混凝土浮箱(1)与锚链(2)的一端连接，所述锚链(2)的另一端与固定在海底的锚块(3)连接。 6.根据权利要求5所述的一种浮式防波堤，其特征在于，所述锚块(3)为重力式钢筋混凝土块体。 2
基于水动力模型海绵城市建设分析案例
基于AWater Plan2.0海绵城市规划设计案例分析 2017.07.14赖泽辉 联系QQ及邮箱（356290189/356290189@https://www.wendangku.net/doc/f85368781.html,） 示范区背景 示范区为广州东濠涌以西某排水子系统，排水体制为合流制。排水系统收集的雨污水通过下游干管排放至猎德污水处理厂进行处理。系统沿东濠涌有截留管道，暴雨条件下，如果下游干管不能满足排放需要，则系统中雨污水通过截留管道直接排放到东濠涌。 示范区位于广州老城区房屋、道路等硬化下垫面所占比例大，排水标准偏低，暴雨情况下，易出现内涝风险和溢流污染风险。
目的 针对示范区下垫面建设情况，现利用海绵设施对其进行改造，以提高排水系统对雨水调蓄能力，减少内涝和溢流污染风险，减少下游污水处理负荷。使示范区排水标准在内涝、排水系统负载、溢流等指标方面达到5年一遇标准。 工具 利用海绵城市规划与设计辅助软件（AWater Plan2.0）。
静态模型构建 收集整理示范区排水设施、河流、下垫面、地形等数据，利用AWater Plan2.0模型建设功能，考虑排水管道拓扑、汇水区划分、系统网络结构、模型概化等内容，构建示范区水动力静态模型，模型参数采用常用的经验参数。
降雨数据制作 根据地方暴雨强度公式，生成1年一遇、2年一遇、5年一遇、10年一遇降雨数据，降雨历时为2小时。 示范区排水能力现状分析 利用设计降雨对示范区排水系统进行现状评估。现状评估情景包
括1年一遇降雨情景、2年一遇降雨情景、5年一遇降雨情景、10年一遇情景。评估结果如下： 地表径流量 累积径流量
瞬时径流量
水动力学基础
第三章 水动力学基础 3-1 某管道如图示，已知过水断面上流速分布为??? ? ???????? ??-=2 01r r u u m a x ，m a x u 为管轴 线处的最大流速，0r 为圆管半径，u 是距管轴线r 点处的流速。试求断面平均流速V 。 3-2 有一倾斜放置的渐粗管如图示，A －A 与B －B 两个过水断面形心点的高差为1.0m 。A －A 断面管径mm d A 150=， 形心点压强2568m KN p A .=。B －B 断面管径mm d B 300=,形心点压强258m KN p B =，断面平均流速s m V B 51.=，试求：⑴ 管中 水流的方向；⑵两断面之间的能量损失；⑶ 通过管道的流量。 题3-1图 题3-2图 3-3 图示为一管路突然缩小的流段。由测压管测得1－1断面压强水头 m p 011 .=γ ,已 知1－1、2－2过水断面面积分别为21030m A .=，22010m A .=，形心点位置高度m Z 521.=, m Z 022.=，管中通过流量Q=20 L/s ，两断面间水头损失g V h w 23 02 2 .=。试 求2－2断面的压强水头及测压管水头，并标注在图上。 3-4 图示一矩形断面平底渠道。宽度B=2.7m ，河床在某处抬高m Z 30.=?，若抬高前的水深H=2.0m ，抬高后水面跌落m Z 20.=?，不计水头损失，求渠道中通过的流量Q 。 3-5 水轮机的锥形尾水管如图示。已知A －A 断面的直径mm d A 600=，断面平均流速s m V A 5=。出口B －B 断面的直径mm d B 900=，由A 到B 的水头损失g V h A w 2202 .=。 试 求当m Z 5=时，A －A 断面的直空度。
基于CFD的船舶水动力分析
基于CFD 的船舶水动力分析 1引言 近年来，随着计算机技术和计算技术的突飞猛进，计算流体力学（CFD ）也得到了长足的发展。基于CFD 软件船舶水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无比尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关注，应用范围越来越广。 船舶 CFD 是伴随着电子计算机的高速发展，与船舶流体力学相结合的数值模拟产物。船舶CFD 的应用能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本，因而得到了普遍的重视，是国际船舶界十分活跃的前沿研究课题。计算流体力学在船舶流体力学领域中应用的地位正在不断上升，作用正日益增大。船舶 CFD 技术的长远目标，是代替船模试验，为船舶水动力性能设计提供一个全雷诺数的数值模拟工具。它不仅可以预报各类船舶在静水中航行时的阻力，以及与推进装置结合起来的推进性能，它还可以根据风、浪、流等环境载荷，预报实尺度船舶在海浪上的航行性能，包括快速性与波浪失速。随着计算机与信息处理技术的发展、湍流理论的突破及非线性波浪数值模拟技术的进展，这个现今还只是梦想的目标相信会在不远的将来得以实现。 2 计算模型及数值模拟 2.1数值模拟设计 纯纵荡运动是平面运动机构(PMM)可以实现的典型运动方式之一。如图1所示，纯纵荡水池中船模沿水池中心线匀速运动的同时，叠加一个纵向位移。，相应的t Z Z ωωνcos '0==。由于船模的中心线始终和船池中心线平行，即首向不变，则φ=ψ=r=0。 如图2所示，若将试验中的船模看作是静止的，则作用于船模上的水流可以沿船模X 方向的水流Fx ，速度大小随时间呈正弦(或余弦)变化，为t Z ωωνc o s 0= 。通过模拟两个方向上的水流分量，可以求得船模在做纯纵荡运动时的纵向受力Z 和力矩N 。经公式(1)(2)可以求得位置导数。 2.2数值模拟的实现 2.3数值的提取和处理 3算例 3.1舰模参数和计算与生成 3.2网格生成和边界条件 3.3计算结果 3.4数值的提取和水动力导数计算
锚泊系统系泊系统计算方法
锚泊系统系泊分析 3.1 锚泊系统的分类 按系泊形式分为三种定位系统：单点系泊(Single Point Mooring)、辐射式系泊(Spead mooring)和动力定位(Dynamic Positions)[62] [9]。 以下主要介绍单点系泊系统和辐射式系泊系统。 3.1.1 单点系泊(Single Point Mooring) 单点系泊系统与固定码头相比，它的最大特点即系泊方式是“点”，也就是大型油轮或超大型油轮可以系泊于近海海面上的一个深水“点”，然后进行装卸货操作。 单点系泊的优点如下： 单点系泊的将码头由岸边移至海上，解决了世界上绝大部分港口航道较窄、较浅、规模较小，不能与大型油轮和超大型油轮发展相匹配的矛盾； 单点系泊具有漂浮式和旋转式的特征，受气候影响较小； 节约投资：一般情况下，建设同样等级的固定码头，其费用远高于建设单点系泊系统。 单点系泊系统的分类[30][63][9] 转塔式单点系泊系统 转塔式锚泊系统是80年代中期发展起来的一种新型的单点系泊系统。其特点是在一定位浮体的内部或外部有一转塔，该转塔上系有由多根锚泊线组成的锚泊系统。转塔上还有多通道的旋转接头，用于传输油类或其它液体。 被定位浮体可绕转塔作水平面内的360度回转，从而使浮体在风标效应作用下处于受力最小的状态。相对于其它型式的单点系泊系统，转塔锚泊适用于更大的水深及环境条件恶劣的海域。这种系统移动灵活，安装费用低，便于维修与保养。 转塔式系泊系统分为外部转塔式、内部转塔式、转塔/立管系统的变化(链配重平衡系统、浮式转塔立管系统、立管配重平衡系统等)等几种类型。 CALM(Catenary anchor leg mooring) CALM是由重力来提供恢复力的系泊系统有悬链锚腿系泊系统。CALM系统是由重力提供恢复力的系泊系统的典范，在海上油田开发及输油终端中有着广泛的应用。 按放射线布置的悬链系统是CA1 M 单点的主要组成部分。锚链或钢索通常为6～8根，以6根居多这样．即使l根锚链或钢索破断．系统仍能维持稳定[24]。 CAI M 有深水型和浅水型之分深水型因钢索重量较轻，回复力大而广泛采用钢索；浅水型因考虑到布置、操作、使用寿命及吸收冲击的能力而多采用锚链。 SALM(Single anchor leg mooring) 此系统是利用水面附近或者水面上具有大浮体的垂向具有预张力的立管系统，深水中的单锚腿系泊((SALM-Single Anchor Leg Mooring)系统将立管分为许多组件(一边使用钻井设备进行安装)，并使其完全成为张力部件，除了
FLUENT进行流体动力学分析时,分析边界条件的种类及应用要点
FLUENT进行流体动力学分析时，分析边界条件的种类及应用要点。答：FLUENT 软件提供了十余种类型的进、出口边界条件，分别如下： (1) 速度入口(velocity-inlet)：给出入口边界上的速度。 给定入口边界上的速度及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压速流动问题，对可压缩问题不适合，否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。 (2) 压力入口(pressure-inlet)：给出入口边界上的总压。 压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形，对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的流动。压力入口条件还可以用于处理自由边界问题。 (3) 质量入口(mess-flow-inlet)：给出入口边界上的质量流量。 质量入口边界条件主要用于可压缩流动；对于不可压缩流动，由于密度是常数，可以用速度入口条件。质量入口条件包括两种：质量流量和质量通量。质量流量是单位时间内通过进口总面积的质量。质量通量是单位时间单位面积内通过的质量。如果是二维轴对称问题，质量流量是单位时间内通过2π弧度的质量，而质量通量是通过单位时间内通过1 弧度的质量。 (4) 压力出口(pressure-outlet)：给定流动出口边界上的静压。 对于有回流的出口，该边界条件比outflow 边界条件更容易收敛。给定出口边界 上的静压强（表压强）。该边界条件只能用于模拟亚音速流动。如果当地速度已经超过音速，该压力在计算过程中就不采用了。压力根据内部流动计算结果给定。其他量都是根据内部流动外推出边界条件。该边界条件可以处理出口有回流问题，合理的给定出口回流条件，有利于解决有回流出口问题的收敛困难问题。(5) 无穷远压力边界 (pressure-far-field)：该边界条件用于可压缩流动。 如果知道来流的静压和马赫数，FLUENT 提供了无穷远压力边界条件来模拟该类问题。该边界条件适用于用理想气体定律计算密度的问题。为了满足无穷远压力边界条件，需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。
船舶与海洋结构物水动力分析作业
1、关于附加质量 1786年P.L.G.杜布阿特在他的《水力学原理》一书中详细叙述了他在水中进行震荡圆球的阻力实验时，首先发现圆球的非定常阻力与它所挟带的流体质量有关。即圆球具有附加质量后应较它的真实质量为大。1828年F.W.贝赛尔进行摆的长度实验时，也观察到类似的现象，他还将物体所增加的惯性（即附加质量）用于物体同体积的流体质量的n倍来表示，并用球摆分别在空气与水中进行试验，所获得的n值为0.9与0.6。
式中，0X 为结构在某个方向上的振动幅值，f 为结构振动频率，ν/2fD 为类雷诺数。当不考虑流体的压缩性及粘性时，可利用势流理论来分析结构的附加质量，此时附加质量仅与结构的形状有关，即 ()g F M A 0pf ,ρ= （3） 实验研究与理论分析均表明，当流体和结构的马赫数、振动幅值相对于结构尺寸都很小，并且类雷诺数很大时，式（3）具有很好的精确性。即对式（1）要求有 1c U 00<<，12U '0
船舶水动力节能装置概述
船舶水动力节能装置概述 常用的水动力节能装置具有节能效果明显、适用范围广泛、结构简单、易于安装、使用安全可靠等特点。下面是几种船舶水动力节能装置介绍： 1.补偿导管 补偿导管安装于船艉桨前舯剖面附近两侧（对于单桨船也有只安装左侧），偏置于桨轴上方，是具有机翼型剖面的半圆形或长L形导流装置。补偿导管一方面加速螺旋桨上部进流，使桨盘面进流更加均匀，提高了推进效率，另一方面减少艉部的流动分离，降低了形状阻力，同时可调整螺旋桨进流的预旋程度，减少艉流中的旋转能力损失。如果补偿导管的安装角适当，它还可以产生附加推力，即它产生的推力比其自身的阻力要大。 2.反应舵 反应舵通过扭曲舵叶剖面来适应螺旋桨的尾流，使舵产生一个正推力。一般螺旋桨负荷越重，螺旋桨尾流切向分量越大，反应舵的节能效果更好。反应舵的节能效果约为2%~3%。随着现代船舶的大型化、主机的高功率化，采用反应舵既可以节能，还有利于解决舵空泡。 9000TEU集装箱船自航试验结果显示：在相同阻力情况下，满载状态时反应舵的收到功率比挂壁舵减少 1.3%左右，结构吃水状态时反应舵的收到功率比挂壁舵减少1.5%左右。舵空泡试验结果表明，采用带有扭曲剖面的反应舵，有助于消除或减小舵叶吸力面片状空泡。
3.舵球和舵球鳍 舵球为对称形回转体，装于毂帽后部的舵叶上，其中心线和桨轴中心线重合，在打舵角即可以拆卸螺旋桨的条件下，舵球端部尽可能靠近桨毂帽。舵球可以消除或减小毂涡，减缓尾流收缩，减少能量损失，提高推进效率。舵球的节能效果一般为1%~3%，当舵叶较薄或与桨间距较大时，其效果更明显。 在舵球鳍装于舵叶两侧桨轴中心线延长线上，可以回收一部分螺旋桨尾流中损失的旋转能量，并将其转化为推力。 舵球和舵球鳍单独使用的节能效果较小，通常两者可以组合使用，以获得更好的效果。目前舵球和舵球鳍已在很多实船上应用，节能效果在4%~7%左右。 4.桨毂帽鳍 桨毂帽鳍是固定在螺旋桨桨毂帽上的小鳍，其叶数与桨叶数相同，直径为螺旋桨直径的25%左右。其作用主要是消除毂涡，回收螺旋桨漩涡能量，从而起到节能和减振降噪的效果。通常桨叶数越少，比如三叶、四叶，螺距比越大的螺旋桨，桨毂帽鳍的节能效果愈加明显。另外，桨毂帽鳍相对于螺旋桨桨叶的安装角度对于其节能效果影响很大，为此必须保证正确的桨毂帽鳍安装角，否则效率收益将丧失殆尽。试验结果表明，螺旋桨安装了桨毂帽鳍后，敞水效率可提高3%~4%。 目前，桨毂帽鳍已在许多实船上使用，节能效果均在3%以上。通常，由于尺度效应的影响，桨毂帽鳍在实船上的节能效果比模型试
吸力锚锚泊系统安装与服役性状研究
吸力锚锚泊系统安装与服役性状研究 我国南海海域的平均水深超过1000米,其蕴含资源丰富,属于世界四大海洋油气聚集中心之一。随着我国油气资源的开采逐渐步入南海深水区,对于海上采油平台的深水锚泊系统提出了更高的要求。 基于降低造价及安装费用和实现高效系泊的考量,深水系泊逐渐抛弃了传统的悬链线式锚泊系统,而是采用了多成分锚泊线(钢链、金属索和合成纤维绳等)的张紧或半张紧式锚泊系统。此时,作用在锚体上荷载的角度一般超过海床水平面30°以上,因此能够提供较大竖向荷载的吸力锚基础逐渐得以广泛应用。 吸力锚基础的设计、施工及承载机理方面的研究涉及到海洋工程与岩土工程的交叉领域,许多问题仍亟待解决。吸力锚基础特殊的吸力安装方式、安装结束后的set-up效应(土体再固结和触变)、锚泊线的预张和服役阶段的响应、吸力锚的承载力特性和失效模式等问题,涵盖了从吸力锚安装到服役的整个过程,具有重要的科学意义和研究价值。 因此,本文针对这些问题,分别从理论分析,数值计算和模型试验等方面进行了细致的研究和探讨,具体的工作包括了以下内容：1.利用自行设计并搭建室内模型试验平台依次进行了吸力锚在粘土中的匀速沉贯试验,安装后的set-up过程观测和竖向拉拔试验,对沉贯过程中的初始入泥深度、海床阻力、内部吸力和土塞发展等关键因素进行了深入的分析,基于API规范探讨了需求吸力和容许吸力对于维持沉贯和控制内部土塞发展的意义,并研究了在粘土中吸力锚沉贯时采用间歇式吸力的优势和适用性；针对模型锚安装到位后其周围土体中的超孔隙水压力的消散过程进行了观测,进而评估set-up效应对模型锚竖向拉拔承载力的影响,并探讨了吸力锚在竖向拉拔至失效过程中的受力机理。2.建立了一种基于
基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析
基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析 为了促进农田水利沟渠能够得到畅通的排放，利用水动力模型分析了排放沟渠形态改造前后的流场变化，并通过调查探索整修先后农田水利沟渠内水流速度的快慢，证实了水动力模型在暢通农田水利沟渠中的有效作用。 标签：水动力模型；农田水利沟渠；分析 1 背景简介 在我国某市的风景区中有两个重要的雨污合流排放口，这两个排放口的水流都是依靠沟渠排入某湖的。据相关数据表明，该沟渠大致有320m长，最宽处可达到45m。沟渠呈现出蜿蜒曲折的状态，中间有一小岛。如此的形态布局，经常导致水流通道被堵塞，水流无法正常通行，渠道内部沉积的厚重的淤土泥沙长年没有得到良好的清理，其数量与日剧增。因此，淤泥成为了雨污水中最主要的沉积物，也是湖水最主要的污染源之一。合流制雨污水中存在很大比例的小型颗粒物质。为此，为尽量减少这些固体物质对湖水水体的污染，也为了减少湖底厚重的淤泥淤积，急需动用切实可行的工程措施来对沟渠中的沉淀地进行改造、修整，以期降低颗粒类污染源对湖水的污染。为了使固体颗粒物能够顺利的在沉淀地内下沉，对该流域内的水体流速具有较高的要求。只有流速达到了一定要求，就能在较短时间内使颗粒物沉积下来，为彻底清理区域内的淤泥提供便利。 水动力模型是一种用于描述不同水体、水文特性及流场空间布局规律的数理模型。在探究湖水污染物具体布局的过程中，首先要研究不同类型水体、水文的特殊性质，掌握水体中流场的空间布局特色，为正确把握湖水污染物的具体分布特征打下基础。所以，在分析农田水利沟渠特性时，我们先要利用水动力数学模型对该区域水体特性与流场分布作一定的研究调查。 3 分析水动力学模型RAm2的建立过程 3.1 导入所需要的数据 在RAm2中，除了可以输入文本型数据外，还能输入图形文件，如CIS、CAD、TIFF、JPEG······具体而言，在实际操作中，可以将DWG等各类格式的具体地形利用CAD等图形文件转变为DXF格式的文件，并将这些文件导入到RAm2中，利用软件对其进行散点化处理，为下一步划分网格打下基础。 3.2 合理划分网格 首先，在操作过程中，可以将所要调整的区域利用map模块进行二维有限元网格的划分。接着，将划分完毕的网格切换至mesh模块项下，以便有效的纠正、整改初步划分的有限元网格。在RmA2模型中，其主要边界选用的是四边形网格，而非三角形网格。因此，在进行边界网格划分时，必须采用自动、手动
地下水动力学知识点总结 (1)
基本问题
（2）同一断面(即r固定)，s随t的增大而增大，当t=0时，s=0，符合实际情况。当t→∞时，实际上s不能趋向无穷大。因此，降落漏斗随时间的延长，逐渐扩展。这种永不稳定的规律是符和实际的，恰好反映了抽水时在没有外界补给而完全消耗贮存量时的典型动态。 （3）同一时刻、径向距离r相同的地点，降深相同。 184Theis公式反映的水 头下降速度的变化规 律 （1）抽水初期，近处水头下降速度大，远处下降速度小。当r一定时， s-t曲线存在着拐点。拐点出现的时间（此时u=1）为：。 （2）每个断面的水头下降速度初期由小逐渐增大，当=1时达到最 大；而后下降速度由大变小，最后趋近于等速下降。 （3）抽水时间t足够大时，在抽水井一定范围内，下降基本上是相同 的，与r无关。换言之，经过一定时间抽水后，下降速度变慢，在一 定范围内产生大致等幅的下降。 194Theis公式反映出的 流量和渗流速度变化 规律 （1）通过不同过水断面的流量是不等的，r值越小，即离抽水井越近 的过水断面，流量越大。反映了地下水在流向抽水井的过程中，不断 得到贮存量的补给。 （2）由于沿途含水层的释放作用，使得渗流速度小于稳定状态的渗 流速度。但随着时间的增加，又接近稳定渗流速度。 204 Theis公式反应的影 响半径在无越流补给且侧向无限延伸的承压含水层中抽水时，虽然理论上不可能出现稳定状态，但随着抽水时间的增加，降落漏斗范围不断向外扩展，自含水层四周向水井汇流的面积不断增大，水井附近地下水测压水头的变化渐渐趋于缓慢，在一定的范围内，接近稳定状态（似稳定流），和稳定流的降落曲线形状相同。 但是，这不能说明地下水头降落以达稳定。 214Theis配线法的原理由Theis公式两端取对数，得到 二式右端的第二项在同一次抽水试验中都是常数。因此，在双对数坐标系内，对于定流量抽水和标准曲线在形状上是 相同的，只是纵横坐标平移了距离而已。只要将二曲线重合，任选一匹配点，记下对应的坐标值，代入(4-10)式（4-11）式
ITTC及船舶水动力学研究方向与重点分析
ITTC及船舶水动力学研究方向与重点分析 中船重工集团七○二所沈泓萃 摘要：本文介绍了1933年以来国际拖曳水池会议（ITTC）组织章程和技术结构的演变过程，分析了ITTC各技术委员会的任务和研究结论，并运用系统分析的概念和方法，对第21～25届ITTC的研究进行了梳理，指出了ITTC范围内船舶与海洋工程水动力学研究领域的重点发展方向和热点研究问题，可供国内拟制该领域的未来发展规划和计划作参考。 关键词：ITTC、水动力学、发展规划
目录 1 前言 (1) 2 ITTC发展史简介 (1) 2.1 ITTC组织与章程的演变 (3) 2.2 ITTC EC和AC的演变 (4) 2.3 ITTC TC结构的演变 (5) 3 ITTC水动力学研究任务与发展方向分析 (7) 3.1 一般委员会的技术任务和结论分析 (7) 3.1.1 阻力与流动研究领域 (11) 3.1.2 推进研究领域 (12) 3.1.3 操纵性研究领域 (14) 3.1.4 耐波性研究领域 (15) 3.1.5 海洋工程研究领域 (17) 3.2 专家委员会的技术任务和结论分析 (19) 3.2.1 功率性能专题研究方向 (24) 3.2.2 非常规推进专题研究方向 (25) 3.2.3 空泡与脉动压力专题研究方向 (26) 3.2.4 波浪中的稳性专题研究方向 (28) 3.2.5 海洋环境模拟专题研究方向 (28) 3.2.6 高速船专题研究方向 (30) 3.2.7 冰海航行性能专题研究方向 (31) 3.2.8 共性基础技术专题研究方向 (32) 4 ITTC水动力学研究重点分析 (33) 4.1 概念探索研究重点 (34) 4.1.1 真实海洋风浪流环境建模 (34) 4.1.2 高雷诺数下平台周围湍流流动现象和响应 (34) 4.1.3 自由面现象和响应 (35) 4.1.4 空化现象和响应 (35) 4.1.5 学科交叉耦合 (35)
水质水动力学耦合问题研究报告
天津大学2013~2014学年研究报告 课程名称：水库优化调度 （编号：S205E046） 研究题目：水流与水质耦合模拟 学院名称：建筑工程学院 专业名称：水利水电工程 学号：1013205068 2013205138 姓名：许红师孟庆林 2013 年12 月
目录 1 基本资料概述 (1) 1.1 研究对象 (1) 1.2 研究目标 (1) 1.3 研究要求： (1) 1.4 研究信息和约束 (2) 2 研究思路 (2) 3 技术路线 (3) 4 研究内容 (3) 4.1 模型建立 (3) 4.2 方案制定 (4) 4.3 数值模拟 (4) 4.3.1 初始条件下数值模拟结果 (4) 4.3.2 方案一系列数值模拟结果 (5) 4.3.3 方案二系列数值模拟结果 (9) 4.4 结果分析 (13) 5 总结 (13)
1 基本资料概述 1.1 研究对象 本课题研究对象为一方形湖泊，长：1000.0m、宽：500.0m。湖底为平面，底高程为0.0m，四周岸堤高程均为5.0m。上方中间位置有一排污口。左右两侧中间位置各有一节制闸，最大过闸流量20m3/s，两节制闸均可汇入和汇出流量。平面结构如下图1所示： 500m 1000m 图1 研究对象平面结构示意图 1.2 研究目标 给定湖泊初始的水质条件和水位，计算在确定排污口排入污染过程下，10天时间内的湖泊水质变化过程。判定湖泊水体水质是否满足景观四类水体水质要求、何时不满足和哪些区域不达标。如果不达标，提出合理的补水方案(补水方式、补水时间等)，即如何通过左右两侧节制闸的调控，控制进入和汇出湖泊的水流过程，使得污染物稀释同时水体水质满足景观四类水体水质要求。 1.3 研究要求： （1）采取MIKE21软件模拟，hydrodynamic module+ transport module。模拟所需参数可采取软件推荐值或自行调研信息值。 （2）不考虑风对水流作用；考虑降雨和蒸发。 （3）不考虑污染物的生化反应，不考虑降解。
地下水动力学习知识重点情况总结
基本问题 潜水含水层的贮水能力可表示为Q=HF； 承压含水层的贮水能力可表示为Q=HF； 式中Q——含水层水位变化时H的贮水能力， H——水位变化幅度； F——地下水位受人工回灌影响的范围。 从中可以看出，因为承压含水层的弹性释水系数远远小于潜水含 水层的给水度，因此在相同条件下进行人工回灌时，潜水含水层的 贮水能力远远大于承压含水层的贮水能力。
水跃：抽水井中的水位与井壁外的水位之间存在差值的现象（seepage face）。井损（well loss）是由于抽水井管所造成的水头损失。 ①井损的存在：渗透水流由井壁外通过过滤器或缝隙进入抽水井时要克服阻力，产生一部分水头损失h1。 ②水进入抽水井后，井内水流井水向水泵及水笼头流动过程中要克服一定阻力，产生一部分水头差h2。 ③井壁附近的三维流也产生水头差h3。通常将（h1+h2+h3）统称为水跃值.
趋于等速下降。 113 承压水井的Dupuit 公式的水文地质概念 模型 (1)含水层为均质、各向同性，产状水平、厚度不变（等厚）、，分布面 积很大，可视为无限延伸；或呈圆岛状分布，岛外有定水头补给； (2)抽水前地下水面是水平的，并视为稳定的；含水层中的水流服从 Darcy’s Law，并在水头下降的瞬间将水释放出来，可忽略弱透水层 的弹性释水； （3）完整井，定流量抽水，在距井一定距离上有圆形补给边界，水 位降落漏斗为圆域，半径为影响半径；经过较长时间抽水，地下水运 动出现稳定状态； (4)水流为平面径向流，流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井 为共轴的圆柱面，并和过水断面一致；通过各过水断面的流量处处相 等，并等于抽水井的流量。 123 承压水井的Dupuit 公式的表达式及符号 含义 或 式中，s w—井中水位降深，m； Q—抽水井流量，m3/d； M—含水层厚度，m； K—渗透系数，m/d； r w—井半径，m； R—影响半径（圆岛半径），m。 133Theim公式的表达式 若存在两个观测孔，距离井中心的距离分别为r1，r2，水位分别为H1， H2，在r1到r2区间积分得：
基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化
基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化CFD方法因其预报精度高、适用性广、计算结果稳定、可重复性高、成本低廉、周期短等优势,在各领域受到广泛关注。CFD方法在船舶水动力学性能的研究中主要集中在三个方面:船舶水动力性能预报、船舶水动力问题机理研究以及船舶水动力性能优化。 本文使用CFD方法对船舶水动力性能预报、机理研究以及优化展开研究。首先,对CFD基本原理进行阐述。 根据船舶水动力学问题的特点,详细叙述了控制方程、有限体积离散、边界条件、湍流模型等。此外,对CFD不确定度分析展开研究。 提出一种可考虑因子间交互作用的多因子CFD不确定度分析方法,并使用该方法对船舶静水总阻力预报展开不确定度分析。分析中包括网格尺寸、时间步长、网格形式和湍流模型四个因子。 该方法是对原方法方法改进而来,使用正交试验方法替代原方法中的控制变量法,可对各因子同时展开分析。该方法中,各因子的不确定度分析同时展开,分析中考虑了各因子间的相互影响。 且由于各因子同步进行分析,解决了原方法中各因子独立分析时其他因子的参数设置依赖于经验的问题。其次,使用CFD方法预报船舶水动力性能,包括船舶静水阻力、螺旋桨水动力性能、船舶操纵性及船舶耐波性等。 在船舶水动力性能预报的基础上,发挥CFD方法的优势,对三个特殊的船舶水动力问题的机理展开研究。包括船舶航态对静水总阻力预报精度的影响、螺旋桨尺度效应问题以及四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的原因。 对于船舶航态对静水总阻力预报精度的影响,对比了航态对过渡型船舶和排
水型船舶的静水阻力预报精度的影响。对于螺旋桨尺度效应问题,使用全相似方法对螺旋桨尺度效应问题进行分析,结果表明在全相似条件下,模型尺度和实尺度螺旋桨的尺度效应基本消除。 在对四桨船内外桨载荷分布不均匀性问题的研究中,发现螺旋桨周围流场存在3个区域:尾流区、加速区和减速区。尾流区为螺旋桨正后方(桨盘范围内)区域,该区域内流体流速极大。 布置在此区域内的螺旋桨载荷将大幅减小。螺旋桨前方区域为加速区,该区域内流体加速,布置在该区域的螺旋桨载荷减小。 螺旋桨后方除尾流区以外的区域为减速区,该区域内流体减速,布置在该区域的螺旋桨载荷增大。从而揭示出四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的机理。 最后,对船舶水动力性能优化中的关键技术——船体几何重构方法展开研究,提出一种新的船体几何重构方法——自融合方法。自融合方法以原始船型的横剖面为基本单元进行融合操作,产生新的船体横剖面,并以新横剖面为基础进行重构生成新的船体曲面。 该方法具有参数数量少、船体变形空间大、重构后的曲面光顺等特点。将其与CFD方法和遗传算法结合,对船舶水动力性能展开优化,包括全船外形优化、船体局部外形优化、混合优化及多目标优化,较为全面的展示了自融合方法在船舶外形优化中的应用。
船舶水动力学
1. Kutta 条件如何表述？对于具有尾缘点或角点的物体绕流，如何确定其环量？对于无尖 角的物体绕流，在理想流体模型下能否用理论方法确定其环量？(北大吴望一编的流体力学下册p61) kutta 条件：理想流体模型内无法确定T （环量），需补充一个合理的经验性假定。 常数=??? ??zR dz dW ；对具有尾缘点的物体绕流，上下表面的流体平滑的流过尾缘B ，在尾缘处流速为有限值。同时由E 点(保角变换平面上的点)的保角性和E 点与B 点的速度关系知E 为驻点，最后由驻点与流量的关系式即可将T 唯一确定。 若物体不具有角点，则T 的值须用实验测得或事先给出，而不能从理论上求出。 2. 当一阵微风吹过原本静止的水面时，可以看到水面波的传播，而此时水面漂浮的树叶并不“随波逐流”，试从流体力学的角度解释这一现象。 --设初始时刻t=0时自由面上各速度为零。现在一阵风给水面一个冲量，这个值是个有限值。由于流体是不可压缩的，这个冲量瞬间传到流体内各点，各点都有冲量，各点的压力和速度都发生变化。由于是小振幅波，流体质点围绕其平衡位置作微小振动。把树叶当做是一个质点，所以并不“随波逐流”。ζ=a cosk(x-δt/k).自由面的曲线是余弦曲线，振幅及波长都不随时间改变，不同时刻的波面相隔一个相位δt/k ，也就是说整个波面随时间向前移动。参考书目：北大吴望一编的流体力学下册第8章 3．优秀足球运动员常常能以美妙的“香蕉球”（球的飞行轨迹呈弧线）破门，试分析：欲踢出弧线向右凸的“香蕉球”，应该用脚的什么部位踢球的哪一边？ --应该用脚的内脚背踢球的右下侧。（欲踢出向右凸的“香蕉球”，应使球内旋，那样左侧气压低于右侧，产生向内的力，内脚背踢球的右下侧保证了使球内旋和前进这两个条件。） 4．何谓“辐射问题”？简述及辐射力表达中出现的两个系数j i a 与 j i b 的物理意义。物体在规则波中的响应：})],,(),,(Re{[ ),,,(6 1 iwt A j j j e z y x A z y x t z y x φφ ξφ+=∑= 其中：j ?为无入射波时的“强迫振动”，称为“辐射问题”的解。 辐射力}Re{ 6 1 ij iwt j j f e Fi ∑==ξ 其中jds n i f SB ij φφρ?? ??-= ij ij ij iwb a w f -=2 将其实部与虚部分开∑=? +- =6 1 )(j j ij j ij U b U a Fi ij a 称附加质量系数（与加速度有关） ；ij b 称阻尼系数（与速度有关） 5. 对于线性兴波问题，给出物面边界条件、自由面边界条件、水底边界条件和无穷远处扰 动速度为零的条件后能否定解？不能定解，还要加上辐射条件才能定解。 三. 推演论证题举例 2.试导出以单位绝对速度势表示的附加质量的计算式。若物体有一个对称面，如何使其表达、计算简化？有一球体作变速直线运动，试比较其相应的附加质量与真实质量的大小。（北大吴望一编的流体力学下册p154-166)
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