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        航標的水動力特性研究

        2019-05-18 02:25:12成小飛
        福建交通科技 2019年2期
        關(guān)鍵詞:錨泊浮體錨鏈

        ■成小飛

        (1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所,福州 350004;2.福建省公路、水運工程重點實驗室,福州 350004)

        本文對航標結(jié)構(gòu)開展水動力特性分析,采用光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法進行分析計算。

        1 數(shù)值計算方法

        1.1 光滑粒子流體動力學(xué)方法

        光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法是一種先進的數(shù)值離散方法,通過積分近似和粒子近似兩個過程將任意的函數(shù)及其空間導(dǎo)數(shù)離散成一系列具有獨立質(zhì)量和體積的粒子間的相互作用。該方法因其完全拉格朗日特性,在處理流體自由液面大變形問題時無需借助自由液面追蹤技術(shù),且特別適用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)邊界和移動流固界面的物理問題,在計算流體力學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

        在SPH方法中,空間內(nèi)任意點處的場函數(shù)可以轉(zhuǎn)換為如下形式:

        式中:i為目標點處的粒子;j為粒子i支持域內(nèi)與粒子i相互作用的其它粒子,數(shù)量為N;x為粒子的位置矢量;m 為粒子的質(zhì)量;Wij=W(xi-xj,h)是核函數(shù),其數(shù)學(xué)表達式為:

        其中,q=|xi-xj|/h,h為光滑長度,取粒子間距的1.5倍。

        參照式(1)的形式,得到空間內(nèi)任意點處的場函數(shù)空間導(dǎo)數(shù)的表達式:

        式中,rij為粒子i和j的距離。

        眾所周知,粘性流體運動可以由連續(xù)性方程和粘性Navier-Stokes(N-S)方程來描述,流體控制方程寫作:

        式中:p為壓強;v為速度矢量;g為重力加速度。

        利用式(3)分別對式(5)和式(6)進行離散,得到SPH形式的流體控制方程:

        式中:∏ij為人工粘性。

        另外,為閉合以上公式(8),還需要引入狀態(tài)方程:

        式中:B為與數(shù)值流體壓縮率有關(guān)的參數(shù);ρ0是參照密度。

        粒子的運動位置通過式(10)計算:

        1.2 邊界條件

        在浮體結(jié)構(gòu)水動力學(xué)問題中涉及到自由液面條件和物面條件兩種。其中,由于SPH方法的拉格朗日無網(wǎng)格特性,自由液面條件是自動滿足的。物面條件是通過某種方式對固壁邊界附近的流體施加排斥力,具體實施方法如圖1所示,在固壁邊界上布置兩排動力學(xué)邊界粒子,動力學(xué)邊界粒子參與粒子間連續(xù)性方程和動量方程的計算,但相對固壁邊界的位置不改變。

        圖1 動力學(xué)邊界粒子法示意圖

        1.3 數(shù)值積分模式

        SPH方法將流體控制方程組轉(zhuǎn)化為一個常微分方程組,簡寫作如下形式:

        式中:Θ為計算流體密度的標量算式,F(xiàn)為粒子受到的外力矢量。

        采用具有二階精度的預(yù)報矯正法對式(11)進行積分。首先在預(yù)報步計算中間時刻粒子的密度(ρn+1/2)、速度(vn+1/2)和位置(xn+1/2):

        由式(12)計算粒子的Θn+1/2和Fn+1/2,再計算校正步粒子的密度、速度和位置:

        并由下式得到下一時刻的粒子信息:

        數(shù)學(xué)模型中,計算時間步長需分別滿足包含粘性條件的CFL條件和考慮粒子加速度限制的時間步長約束條件。

        式中:F為粒子受到的外力矢量;ξ為小于0.5的安全系數(shù)。

        得到時間步長的計算公式:

        2 數(shù)值波浪水槽

        2.1 主動吸收式造波

        數(shù)值波浪水槽是在時域內(nèi)模擬非線性波浪與浮體結(jié)構(gòu)相互作用的重要工具。在基于SPH方法所建立的數(shù)值波浪水槽中,采用推板式造波機生產(chǎn)波浪,并且為了減小波浪二次反射帶來的影響,引入了主動吸收式造波技術(shù)。造波板的運動速度按下式計算:

        式中:vwm為造波板的運動速度;ω=2π/T為波浪角頻率,T為波周期;η=Hsin(ωt)/2為目標波浪函數(shù),H為波高;ηwm為造波板運動平衡位置處的波面高度;Q為水力傳遞函數(shù);D為波浪頻率的函數(shù)。

        2.2 阻尼層消波

        由于數(shù)值波浪水槽長度的限制,波浪將在水槽末端發(fā)生反射,反射波浪重新進入試驗區(qū)域,對試驗結(jié)果產(chǎn)生干擾,因此在數(shù)值波浪水槽中采用了阻尼層消浪技術(shù),其原理是通過在流體動量方程中添加阻尼項來減小水質(zhì)點的運動速度。阻尼層內(nèi)的流體動量方程寫作:

        其中:μs為衰減函數(shù),采用線性形式的計算公式:

        式中:αs為阻尼層系數(shù),取為4;xs為阻尼層的起始位置坐標;ls為阻尼層長度,取入射波長的1.5倍。

        3 浮體結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

        3.1 浮體運動方程

        根據(jù)剛體動力學(xué)理論,剛體結(jié)構(gòu)的運動可以分解成質(zhì)心的平移和結(jié)構(gòu)繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。本次研究的浮標結(jié)構(gòu)同時受到流體力、重力和錨鏈力的作用,其運動方程寫作:

        式中:M、I、V和ω分別為浮體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、線速度和角速度;Fw和Tw分別為流體力及其力矩;Ft和Tt分別為錨鏈力及其力矩。

        3.2 流體力計算方法

        浮體結(jié)構(gòu)占據(jù)流場空間,通過對流體施加排斥力來阻止流體穿透結(jié)構(gòu)邊壁并向浮體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間聚集的趨勢。浮體結(jié)構(gòu)的流體力計算示意如圖2。根據(jù)粒子間動量方程,得到浮體結(jié)構(gòu)固壁粒子i對流體粒子j的作用力為:

        根據(jù)作用力與反作用力原理,流體粒子j對固壁粒子i的反作用力為:

        在粒子i的支持域內(nèi)有N個流體粒子對固壁粒子起作用,因此固壁粒子i受到的流體力為:

        累加浮體結(jié)構(gòu)所有固壁粒子受到的流體力,得到結(jié)構(gòu)總的流體力:

        式中:Xc為浮體結(jié)構(gòu)質(zhì)心位置矢量。

        圖2 錨泊浮式結(jié)構(gòu)SPH模型示意圖

        3.3 系泊纜繩模擬方法

        采用集中質(zhì)量法模擬浮體結(jié)構(gòu)的系泊系統(tǒng),如圖3所示。集中質(zhì)量法是將連續(xù)的纜繩離散為有限個(Nt+1)質(zhì)點和有限個(Nt)長度相等、質(zhì)量不計的彈簧,纜繩的質(zhì)量集中在每個質(zhì)點上,纜繩長度的變化通過彈簧的伸長和縮短來實現(xiàn)。首先對纜繩的各質(zhì)點建立靜力平衡方程:

        式中:Fti和Ft(i-1)分別是第i個質(zhì)點上端彈簧和下端彈簧的拉力;ti和t(i-1)分別是第i個質(zhì)點上端彈簧和下端彈簧與水平方向的夾角;Wti是第i個質(zhì)點在水中的重量。

        第1個質(zhì)點的靜力平衡方程為:

        式中:FMx和FMz分別為水平和垂向錨定力;Wt1為第1個質(zhì)點在水中的重量。

        圖3 集中質(zhì)量法模型示意圖

        由式(27)和式(28)得到第i個質(zhì)點上端的水平拉力和垂向拉力:

        則第i個質(zhì)點上端的總拉力為:

        第i個質(zhì)點的坐標位置為:

        式中:ltj為第j段彈簧的長度。

        得到第i個質(zhì)點坐標的計算公式:

        上述集中質(zhì)量法需要通過迭代計算來實施,迭代流程如圖4所示。首先假設(shè)纜繩的初始水平錨定力FMx和垂向錨定力FMz,由式(32)計算每個質(zhì)點的垂向位置,可知除纜繩錨固點處的第1個質(zhì)點外,纜繩上的所有質(zhì)點均被拉離開水底。對纜繩上第Nt+1個質(zhì)點的垂向位置z(Nt+1)和浮體系纜點的垂向位置zf進行比較:當z(Nt+1)-zf>Δ(Δ為設(shè)定的誤差范圍)時,纜繩在垂向方向上過度抬起,實際上應(yīng)有部分質(zhì)點處于拖地狀態(tài),因此將第1個質(zhì)點的垂向錨定力設(shè)為零,并從第2個質(zhì)點開始逐個將其垂向位置設(shè)為零,每將一個質(zhì)點的垂向位置賦為零值后,重新由式(32)計算 z(Nt+1),直至|z(Nt+1)-zf|≤Δ;當 zf-z(Nt+1)>Δ時,說明纜繩在垂向方向上的抬起程度不充分,因此通過增大垂向錨定力來增加各質(zhì)點的高度,直至|zf-z(Nt+1)|≤Δ。在迭代得到各質(zhì)點的垂向高度后,由式(32)計算每個質(zhì)點的水平位置,對纜繩上第Nt+1個質(zhì)點的水平位置x(Nt+1)和浮體系纜點的水平位置xf進行比較:當x(Nt+1)-xf>Δ時,纜繩在水平方向被過度拉伸,因此通過減小水平錨定力來減小各段彈簧的水平拉伸程度,直至|x(Nt+1)-xf|≤Δ;當xf-x(Nt+1)>Δ時,纜繩在水平方向的拉伸程度不足,因此通過增大水平錨定力來增大各段彈簧的水平拉伸程度,直至|x(Nt+1)-xf|≤Δ。在迭代得到纜繩的水平和垂向錨定力后,通過式(30)計算第(Nt+1)個質(zhì)點的彈簧拉力,即所求的錨鏈力。

        圖4 集中質(zhì)量法實施流程

        4 數(shù)學(xué)模型驗證

        采用2節(jié)所介紹的數(shù)值波浪水槽設(shè)置方法,建立了如圖5所示的數(shù)值波浪水槽。直角坐標系o-xz的定義如圖中所示。水槽高25m,水深20m。在x=0.5m處設(shè)置推板式造波機,造波機采用主動吸收式造波方式運動。在水槽末端設(shè)置阻尼層,阻尼層長度為入射波長的1.5倍。在水槽內(nèi),沿程依次布置四個浪高儀:3#浪高儀位于浮體結(jié)構(gòu)的中心位置,用于標定入射波浪要素;1#和2#浪高儀分別設(shè)置在距離浮體結(jié)構(gòu)0.75,通過兩點法分離結(jié)構(gòu)的入射、反射波浪;4#浪高儀設(shè)置在距離浮體結(jié)構(gòu)0.75L處,用來測量結(jié)構(gòu)的透射波浪。

        圖5 數(shù)值波浪水槽

        在數(shù)值波浪水槽,分別測試了波高H=2m、波周期T=4s、6s和7s三種規(guī)則波浪情況。圖6為不同波況下3#浪高儀處測得的波面高度歷時曲線,可以看到,數(shù)值波浪形態(tài)基本平穩(wěn),波浪高度和波浪周期的計算結(jié)果與預(yù)期基本一致,尤其當波周期較長時,計算效果更好。因此,所建立的數(shù)值波浪水槽具有生成目標波浪的能力,可以用于后續(xù)關(guān)于航標動力響應(yīng)的研究。

        圖6 標定點處波面歷時曲線

        5 水動力特性分析結(jié)果

        在圖5所示的數(shù)值波浪水槽中,基于3節(jié)所介紹的浮體結(jié)構(gòu)建模方法,建立了波浪與浮標相互作用的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用所建立的數(shù)學(xué)模型,計算了不同波況(H=1.0m、1.5m 和 2.0m、T=4s) 和不同錨泊角度 (θ=30°、45°、60°和90°)下浮標的運動姿態(tài)。

        圖7給出不同錨泊角度下浮標運動響應(yīng)的比較,分別以浮標質(zhì)心的橫蕩、垂蕩運動以及浮標繞質(zhì)心的橫搖運動表示,圖中各方向上的運動幅值均除以入射波浪振幅A來作無因次化??梢钥吹剑^泊角度為90°、即采用垂直錨泊時,浮標的運動幅值最小。對于橫蕩和橫搖運動,當錨泊角度為30°時運動幅值也相對較小,當錨泊角度為45°和60°時運動幅值較大。而對于垂蕩運動,錨泊角度為30°和60°時運動幅值基本一致,當錨泊角度為45°時運動幅值最大。此外,隨著入射波高的增大,浮標橫蕩和橫搖的無因次化幅值大幅度減小,無因次化垂蕩幅值微弱減小,說明小波高波浪作用下波能向浮標動能轉(zhuǎn)換的比例更高,浮標運動產(chǎn)生的輻射波能就較大。

        圖7 不同錨泊角度下浮標運動幅值的比較

        圖8給出不同錨泊角度下浮標錨鏈力的比較,圖中迎浪側(cè)和背浪側(cè)的錨鏈力幅值均除以gA3來作無因次化??梢钥吹?,錨泊角度為90°即采用垂直錨泊時,浮標的錨鏈力最大,尤其是背浪側(cè)方向。當錨泊角度為30°時兩側(cè)錨鏈力也相對較大,當錨泊角度為45°和60°時,錨鏈力較小。入射波高對錨鏈力的影響表現(xiàn)為錨鏈力隨入射波高的增大而增大,這與大波高作用下浮標運動響應(yīng)較大的情況相對應(yīng)。

        綜上分析,采用90°錨泊角度時浮標的消浪性能最好,航標的穩(wěn)定性也最佳,但由于錨泊系統(tǒng)荷載過大,浮標的安全性受到極大威脅。而采用30°錨泊角度時,雖然浮標的消浪性能略有降低,穩(wěn)定性也稍有下降,但有效緩解了錨泊系統(tǒng)荷載過大的問題,浮標的安全性得到提升。因此,采用30°錨泊角度,航標的穩(wěn)定性和安全性才更有保證。

        圖8 不同錨泊角度下浮標錨鏈力的比較

        6 結(jié)論

        本文基于光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法對航標結(jié)構(gòu)進行水動力分析,研究不同錨泊角度對航標穩(wěn)定性及安全性的影響。首先建立了航標結(jié)構(gòu)的數(shù)值波浪水槽模型,并進行了驗證,表明其數(shù)值模型可以用來分析計算波浪對航標結(jié)構(gòu)的水動力情況。經(jīng)計算,結(jié)果表明采用30°錨泊角度,航標的穩(wěn)定性和安全性才更有保證。

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