hydrostar对矩形体在波浪中的运动分析
摘 要摘 要海洋结构物因波浪力而产生的剧烈摇荡运动，可能会导致该结构物无法正常运作，甚至发生结构损毁或者倾覆的情况。由此，针对海洋结构物因波浪而产生的水动力性能和运动响应开展相关研究是十分有必要的。本文选取矩形体作为研究对象，借助水动力计算软件HydroSTAR对矩形体由波浪而产生的水动力性能与运动响应开展模拟计算，本文的内容主要包括以下几个大的方面：（1）针对国内外船舶波浪运动理论研究现状进行了综述；（2）基于频域自由表面格林函数方法，对浮体在规则波中的水动力性能和运动响应进行了推导分析；（3）运用HydroSTAR软件对矩形体在规则波中的运动响应和二阶波浪力进行模拟计算，并针对所得结果，开展对比分析。 关键词：矩形体；频域响应；规则波；HydroSTAR目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2海洋结构物的水动力性能研究综述 1
1.2.1 粘性效应与势流效应 1
1.2.2海洋结构物的耐波性 2
1.2.3 二阶波浪力研究 2
1.3 本文主要工作 3
第二章 理论基础 5
2.1 势流理论 5
2.1.1基本假设 5
2.1.2控制方程 5
2.1.3 边界条件 6
2.1.4 二维速度势的求解 7
2.2 船体在波浪上的运动理论综述 8
2.2.1 二维切片理论 8
2.2.2统一细长体理论 9
2.2.3二维半理论 9
2.2.4三维理论 10
2.3 本章小结 10
第三章 HydroSTAR 软件介绍 11
3.1 HydroSTAR 软件简介 11
3.1.1 HydroSTAR For Experts 的计算原理 11
3.1.2 HydroSTAR For Experts 的功能 11
3.1.3 HydroSTAR For Experts 的输出接口和仿真 12
3.2 HydroSTAR的先进功能 12
3.2.1理想的流体公式 12
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软件简介 11
3.1.1 HydroSTAR For Experts 的计算原理 11
3.1.2 HydroSTAR For Experts 的功能 11
3.1.3 HydroSTAR For Experts 的输出接口和仿真 12
3.2 HydroSTAR的先进功能 12
3.2.1理想的流体公式 12
3.2.2格林函数及其影响系数 13
3.2.3消除不规则频率的影响 13
3.2.4 耐波性晃荡耦合分析 13
3.2.5 二阶负荷计算公式 14
3.2.6 低频横浪载荷 14
3.3 HydroSTAR软件结构模块 14
3.4 本章小结 17
第四章 规则波中浮体水动力和运动的计算 18
4.1 概述 18
4.2 速度势求解 18
4.2.1 势流假设下的基本方程 18
4.2.2 流场速度势的分解与定解条件 19
4.2.3 速度势分量求解与格林函数的引入 20
4.2.4 不规则频率的处理 23
4.3 浮体水动力及其运动响应 24
4.3.1 一阶水动力及其运动响应 24
4.3.2 二阶定常力 26
4.4 本章小结 26
第五章 矩形体在波浪中的水动力性能分析 27
5.1 矩形体模型参数 27
5.2 频域计算流程图 28
5.3 矩形体在规则波中的运动分析 28
5.3.1 矩形体在无限水深下的六自由度运动 28
5.3.2 矩形体在无限水深下的二阶波浪力计算 36
5.3.3 不同水深条件下的矩形体水动力性能比较 41
5.4 本章小结 51
结论 52
致谢 54
参考文献 55
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
在世界经济飞速增长的大背景下，人们对能源的需求量也随之快速增长。但与之矛盾的是，陆地有限的化石能源正面临枯竭，于是，人们正将目光转向更加丰富且可再生的海洋资源。随着人们对海洋可再生资源的开采和勘测活动逐渐向深海进一步发展，这就对海洋资源的开采和勘探装备提出了全新的技术要求。这些海洋结构物(船舶、平台等)是在复杂的海洋环境下运营的,会受到浪流的影响，它的实际运行状况不仅会影响到本身的正常运作,在极端情况下还可能会造成结构毁损或倾覆失事的发生。因此能够正确预报其在海洋环境下的运动, 探究海洋结构物的响应，能够为增强其耐波性提供强大的技术支持, 对确保海洋结构物的稳定性和安全有着特别重要的意义。
与之对应的是，新近兴起的半潜式平台蓬勃发展，平台尺寸及其立柱形式多样，带来了许多流体力学问题。箱形浮体及类似矩形体在波浪中的运动相对简单，但传统的切片理论难以给出比较精确的结果，为此十分有必要尝试或者说寻求一种更加精确的方式对其运动进行分析[1]。
为解决此类问题，本文基于频域理论，通过流体水动力计算软件HydroSTAR计算矩形体在波浪中的运动，对其运动特性进行分析，以期得到对实际工程问题有指导意义的结论。
1.2海洋结构物的水动力性能研究综述
1.2.1 粘性效应与势流效应
海洋结构物周边的介质是海水，属于粘性流体；海洋结构水动力性能研究
据流体与结构的作用力中势流效应和粘性效应的重要比例，有两种研究方式：①
考虑理想流体，流体不可压缩，满足质量守恒，无粘性，忽略粘性效应，满足
Laplace方程，属于势流理论；②流体的粘性效应较为显著时，将流体当作实际
流体处理，满足纳维—斯托克斯方程（N-S方程）；在对Laplace的边值问题进行
计算时，格林函数法是其计算的重要工具，求解N-S方程则是在现实条件下计
算流体绕流的有效工具[2]。
针对海洋结构物开展的的水动力性能研究主要包含波浪载荷计算、浮体运
动响应等方面。Beck(2004)总结了目前浮体在耐波性方面的各式计算方法，指出
“完全基于粘性的三维水动力问题十分复杂，以目前计算机的存储和处理能力难
于在实际上解决该问题”。而基于势流理论正是对其波浪载荷计算、浮体运动响
应等水动力性能开展全面研究的最主要方式。
1.2.2海洋结构物的耐波性
比较浮体耐波性好坏的重要参数包含：横摇、纵摇和垂荡响应幅值大小、周
期和加速度，首底的抨击、甲板上浪概率，及波浪载荷与抨击引起的动态载荷等。
对耐波性产生影响的重要因素包含浮体主尺度，载重配置，系泊系统布置（对二
阶慢漂运动影响明显），减摇装置设
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景和意义 1
1.2海洋结构物的水动力性能研究综述 1
1.2.1 粘性效应与势流效应 1
1.2.2海洋结构物的耐波性 2
1.2.3 二阶波浪力研究 2
1.3 本文主要工作 3
第二章 理论基础 5
2.1 势流理论 5
2.1.1基本假设 5
2.1.2控制方程 5
2.1.3 边界条件 6
2.1.4 二维速度势的求解 7
2.2 船体在波浪上的运动理论综述 8
2.2.1 二维切片理论 8
2.2.2统一细长体理论 9
2.2.3二维半理论 9
2.2.4三维理论 10
2.3 本章小结 10
第三章 HydroSTAR 软件介绍 11
3.1 HydroSTAR 软件简介 11
3.1.1 HydroSTAR For Experts 的计算原理 11
3.1.2 HydroSTAR For Experts 的功能 11
3.1.3 HydroSTAR For Experts 的输出接口和仿真 12
3.2 HydroSTAR的先进功能 12
3.2.1理想的流体公式 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
软件简介 11
3.1.1 HydroSTAR For Experts 的计算原理 11
3.1.2 HydroSTAR For Experts 的功能 11
3.1.3 HydroSTAR For Experts 的输出接口和仿真 12
3.2 HydroSTAR的先进功能 12
3.2.1理想的流体公式 12
3.2.2格林函数及其影响系数 13
3.2.3消除不规则频率的影响 13
3.2.4 耐波性晃荡耦合分析 13
3.2.5 二阶负荷计算公式 14
3.2.6 低频横浪载荷 14
3.3 HydroSTAR软件结构模块 14
3.4 本章小结 17
第四章 规则波中浮体水动力和运动的计算 18
4.1 概述 18
4.2 速度势求解 18
4.2.1 势流假设下的基本方程 18
4.2.2 流场速度势的分解与定解条件 19
4.2.3 速度势分量求解与格林函数的引入 20
4.2.4 不规则频率的处理 23
4.3 浮体水动力及其运动响应 24
4.3.1 一阶水动力及其运动响应 24
4.3.2 二阶定常力 26
4.4 本章小结 26
第五章 矩形体在波浪中的水动力性能分析 27
5.1 矩形体模型参数 27
5.2 频域计算流程图 28
5.3 矩形体在规则波中的运动分析 28
5.3.1 矩形体在无限水深下的六自由度运动 28
5.3.2 矩形体在无限水深下的二阶波浪力计算 36
5.3.3 不同水深条件下的矩形体水动力性能比较 41
5.4 本章小结 51
结论 52
致谢 54
参考文献 55
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
在世界经济飞速增长的大背景下，人们对能源的需求量也随之快速增长。但与之矛盾的是，陆地有限的化石能源正面临枯竭，于是，人们正将目光转向更加丰富且可再生的海洋资源。随着人们对海洋可再生资源的开采和勘测活动逐渐向深海进一步发展，这就对海洋资源的开采和勘探装备提出了全新的技术要求。这些海洋结构物(船舶、平台等)是在复杂的海洋环境下运营的,会受到浪流的影响，它的实际运行状况不仅会影响到本身的正常运作,在极端情况下还可能会造成结构毁损或倾覆失事的发生。因此能够正确预报其在海洋环境下的运动, 探究海洋结构物的响应，能够为增强其耐波性提供强大的技术支持, 对确保海洋结构物的稳定性和安全有着特别重要的意义。
与之对应的是，新近兴起的半潜式平台蓬勃发展，平台尺寸及其立柱形式多样，带来了许多流体力学问题。箱形浮体及类似矩形体在波浪中的运动相对简单，但传统的切片理论难以给出比较精确的结果，为此十分有必要尝试或者说寻求一种更加精确的方式对其运动进行分析[1]。
为解决此类问题，本文基于频域理论，通过流体水动力计算软件HydroSTAR计算矩形体在波浪中的运动，对其运动特性进行分析，以期得到对实际工程问题有指导意义的结论。
1.2海洋结构物的水动力性能研究综述
1.2.1 粘性效应与势流效应
海洋结构物周边的介质是海水，属于粘性流体；海洋结构水动力性能研究
据流体与结构的作用力中势流效应和粘性效应的重要比例，有两种研究方式：①
考虑理想流体，流体不可压缩，满足质量守恒，无粘性，忽略粘性效应，满足
Laplace方程，属于势流理论；②流体的粘性效应较为显著时，将流体当作实际
流体处理，满足纳维—斯托克斯方程（N-S方程）；在对Laplace的边值问题进行
计算时，格林函数法是其计算的重要工具，求解N-S方程则是在现实条件下计
算流体绕流的有效工具[2]。
针对海洋结构物开展的的水动力性能研究主要包含波浪载荷计算、浮体运
动响应等方面。Beck(2004)总结了目前浮体在耐波性方面的各式计算方法，指出
“完全基于粘性的三维水动力问题十分复杂，以目前计算机的存储和处理能力难
于在实际上解决该问题”。而基于势流理论正是对其波浪载荷计算、浮体运动响
应等水动力性能开展全面研究的最主要方式。
1.2.2海洋结构物的耐波性
比较浮体耐波性好坏的重要参数包含：横摇、纵摇和垂荡响应幅值大小、周
期和加速度，首底的抨击、甲板上浪概率，及波浪载荷与抨击引起的动态载荷等。
对耐波性产生影响的重要因素包含浮体主尺度，载重配置，系泊系统布置（对二
阶慢漂运动影响明显），减摇装置设
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