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FPSO在波浪中的运动响应的时域模拟
| 论文题名： | FPSO在波浪中的运动响应的时域模拟 |
| 关键词： | 浮式生产储油卸油装置;船体运动;浪载荷;运动响应;时域模拟 |
| 摘要： | 浮式海洋平台作业时大多需要长期系泊于固定海域,遇到风暴亦不能避航。因此在设计和建造之初能否准确的预报特定海况下船波相互作用对其安全操作至关重要。因为计算条件的限制,以往的研究以及工程应用中广泛采用频域势流理论,近期,时域直接模拟技术越来越多的受到关注。本文以FPSO为研究对象,对船体在波浪中的运动响应进行了直接时域模拟,并且通过计算讨论了甲板上浪载荷对船体运动的影响。 数值模拟采用高阶面元,相比于普通面元法,高阶元能够更好的处理具有复杂表面的形体,尤其是表面曲率变化较大时。论文研究了高阶面元法的具体实现,以及在采用三维势流理论方法求解边值问题过程中,格林函数及其导数积分奇异性的消除方法,计算分别采用三角坐标变换和施加均匀位势。基于Fortran语言开发了4节点和9节点的高阶元程序,计算分析了定常流与物体的水动力作用,验证了程序计算的准确性。 在此基础上,依据三维线性势流理论,论文研究了求解时域无航速线性船波作用问题的基本控制方程和计算流程,编写了基于Rankine源法的时域数值模拟程序。对于Rankine源求解时的辐射条件问题,通过采用增加阻尼层的办法来处理,此外,对计算域中的角点部分通过分布重节点来处理。最后,通过对规则圆柱和实船在波浪中运动的计算分析以及结果对比验证了程序求解的准确性。 采用该程序进一步在考虑甲板上浪载荷的情况下对FPSO在波浪中的运动进行数值模拟。其中甲板上浪流动的计算采用浅水理论近似,通过与相关试验结果对比讨论了浅水理论的适用性以及局限性。得到上浪高度后根据牛顿定理计算上浪载荷,并将其施加于船体运动方程以考察耦合情况下船体运动结果,并与不考虑上浪载荷的结果进行对比讨论。 采用Rankine源、高阶面元和时域模拟等计算方式相比于以往的自由面-格林函数法、普通面元离散以及频域理论,计算量大幅增加。为提高计算效率,论文将求解大型线性方程组的GMRES(m)算法引入程序求解边界积分方程,对比了该算法和普通Gauss求解器的计算效率,并且讨论了不同m值下迭代计算的收敛速度。此外,论文还基于OpenMP将部分程序并行化,通过测试考察了加速效率。这两部分优化均提升了求解船波相互作用的时域直接模拟程序的实用性。 |
| 作者： | 陈曦 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 桂洪斌;戴愚志 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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