《驳运门桥在波浪中的三维频域水动力系数计算.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《驳运门桥在波浪中的三维频域水动力系数计算.doc（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、驳运门桥在波浪中的三维频域水动力系数计算第26卷第1期2007年2月工兵装备研究EngineerEquipmentResearch驳运门桥在波浪中的三维频域水动力系数计算姜鹏宇,王建平,何晓辉(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)摘要:以登陆栈桥系统中的驳运门桥为研究对象,利用三维频域线性分析方法,求解驳运门桥在波浪中的水动力系数,为分析海上登陆栈桥系统拼装及连接器设计所涉及的水动力问题提供了有效的手段.关键词:驳运门桥;三维频域理论;水动力系数中图分类号:E951.3:U448.18文献标识码:A3一DFrequencyDomainCalculationonHydrodyna
2、micCoefficientsofLighteringRaftinWavesJIANGPengyu,WANGJJanhui(EngineeringInstituteofEngineerCorps,PIAUniv.ofSei.&Tech,Nanjing210007,China)Abstract:Takingthelighteringraftastheresearchobject-thehydrodynamiccoefficientsofthelighteringtivereferencetoanalyzethehydrodynamicproblemsintheassemblyofthel
3、andingtrestlebridgesystemandthedesignoftheconnectors.Keywords:lighteringraft:3一Dfrequencydomaintheory;hydrodynamiccoefficients登陆栈桥系统是一种用于联合海岸后勤行动拼装而成,可以借助军用舰船或民用集装箱船运输到工作海域,并可在三级或三级以上海况下进行展栈桥,浮游码头,驳运门桥,滚装卸载平台和高架栈桥等多种形式.在众多的结构中,驳运门桥是一种最为典型的结构形式,驳运门桥不但本身可以承当任务,而且在架设栈桥时,驳运门桥就是栈桥的一个桥节,而在拼装大型卸载平台或构架浮游码头时
4、,驳运门桥又可以作为拼装单元.所以,本文主要研究驳运门桥的三维频域线性水动力,为登陆栈桥系统的研究和设计提供理论根底.三维流体动力的数值计算,对无航速问题的研究较多,如:FaltinsenandMichelsen(1975)uJ,ChangandPien(1976)引,Garrison(1978),刘应中和缪国平(1978),孙伯起和董慎言(1985),戴遗山和贺五州(1986)【6等利用分布奇点法研究了无航速问题.对三维有航速问题,InglisandPrice(1980)Eq计算了对称物体的水动力系数和运动响应,并将三维方法的计算结果与二维切片方法的结果作了比拟.对三维时域问题,Chapma
5、n(1981)L引,LiapisandBeck(1985)93,Kingetal(1988)】o用时域格林函数法对线性问题做了研究,对三维非线性问题,w.M.Lin(1997)L】川,D.X.Zhu(1998)】.等做了研究.本文以登陆栈桥系统的驳运门桥为研究对象,虑水动力系数因素较多,这里只求解驳运门桥的附加质量及阻尼系数.1积分方程收稿日期:20061205作者简介:姜鹏宇(1978),男,河南淮阳人,博士生,主要从事特种门桥结构及其海上运用工程研究.第1期姜鹏宇,等:驳运门桥在波浪中的三维频域水动力系数计算21为讨论表征浮体在波浪上的运动特征,建立如图1所示的三种坐标系来描述波浪,浮体和
6、空间某一固定点的关系.其中,空间固定坐标坐标系0I).ToYoZo,坐标面(90yo与静水面重合,0I)zo垂直于静水面,表示波面的升高.动坐标系0JzYz固结在浮体上,当浮体位于平衡位置时,该坐标系与平衡坐标系重合.随浮体移动的平衡坐标系Oxyz.图1坐标系的定义根据流场的假定,在空间固定坐标系中,浮体周围流场速度势可分解为(萨尔维森,1970):,3,z,一一+敢,3,2:)+(,Y,z,(1)式(1)中一U+敢,Y,z)是由浮体航行时引起的与时间无关的定常速度势;(,Y,z,)是入射波和浮体非定常运动引起的与时间有关的非定常速度势.求解线性问题时,对非定常流场速度势,可用叠加原理分解为:
7、(,Y,z,)一(,3I,z,)6+(,Y,z,)十(,Y,z,)(2)式(2)中:为入射波速度势;为绕射波速度势;为浮体第r个刚体模态所诱导的辐射波速度势.由于入射波为规那么波,为获得稳态解,可以把时间因素和空间因素别离开,(,Y,z,ReI(,Y,z)e+Re(,Y,2:)e/wc+R.(z,Y,PPc(3)式(3)中:为入射波速度势分量;为绕射波速度势分量;,为浮体第,.个刚体模态所诱导的辐射波速度势分量;P,为浮体第阶模态响应主坐标复数幅值.本文所涉及到的计算都是在频域中进行的,为论述方便对速度势的描述省略取实部的符号Re,此时速度势可表示为:6:I+一I+十P,(4)l非定常速度势中
8、的入射波速度势是的,绕射波速度势和辐射波速度势,是未知的.平衡坐标系中绕射势应满足的定解条件为:线性自由面条件:一u.+g.一.平均湿外表条件:一一丝a,lan底部边界条件:o,一一.dZ远方条件:+;n=.辐射势满足的定解条件为:域内条件:.,一0线性自由面条件:ito-u.+g,=.平均湿外表条件:一+mj,3:16一十mjb底部边界条件:(5)22工兵装备研究第26卷远方条件:一o,Z-.Zlira(+)一.(6)其中:为浮体外表单位矢量(指向物体内部),为相对重心G的失径,一(,他,);rn一(J,他,他);(ml,m2,m3)一0;(rrh,ms,7)一(O,一712);ID一+Y+
9、.波数一J/g;遭遇频率OOe=00-kUcosp.设域内变点为q(,叼,),域内场点为(z,3I,z),深水波数为,定义格林函数G(P,q)满足拉普拉斯方程及除物面边界条件以外的各边界条件.对函数()和G(P,q)在物面Su,19由面sr,底面S和远方控制面s围成的计算域内使用格林公式,当P点位于域内时,4)=EG(pq)q)as(7)由底部边界条件和远方辐射条件可知底面和远方控制面上的积分趋于无.此外,用线性19由面条件,易知19由面上的积分也为无,因此只剩下物面上的积分:一4():f;EG(pq)SH.q)(8)上式右端的表达式中既有分布源又有分布偶极,为混合分布模型,该模型不便求解,因
10、此引入内部解建立分布源密度方程.设内部解为fl,并定义其满足以下条件:I:fl(q)一0一cL+g一o(zo)(9)fl:假设上述内部解存在,那么对(q)和G(P,q)在内部域中使用格林公式,此时场点P在外部域,G(P,q)在内部域中无奇点,因此有:ffEG(pq)Sn一(q)(fs一o(1o)f7由式(10)减去式(8),并注恿到式(8)式中的物面条件,可得出的分布源表达式:()=盯口(q)G(,q)dS(在流域内)(11)SH式(11)中口(q)是点q上的分布源点密度,其表达式为:q,一凳一,为求解分布源点密度口(q),对式(11)两端取法向导数,并令P点沿法线趋于物面上的点(仍用P表示)
11、,可以得出:2)+)dSH一(12)H再将式(6)中的物面条件带人上式,可得出辐射波速度势分布源密度积分方程为:2(q)+(q)cis一()PSH(13)将物面s离散为假设干单元,并假定在每个单元上的分布密度相同,如果格林函数法向导数已知,那么由式(13)可以建立与分布源密度相关的方程带入式(1】),可以得到物面上各点的速度势;根据积分号下求导法那么,用格林函数的偏导数,Jz0Y代替式(11)中的G,就可以得出相应的速度势的f7Z导数.得到辐射势后,应用线性化的Bernoulli方程(只保存一阶)可以得到流体作用于浮体平均湿表第1期姜鹏宇,等:驳运门桥在波浪中的三维频域水动力系数计算23面S上
12、的水动压力P,:P(z,z)=一P(一u),(,z)(14)将作用在浮体外表上的辐射水动压力乘以广义单位法向矢量,并沿浮体的平均湿外表S一积分为;7(),加速度为(),又可把辐射力分解为两部分,如下式所示:F一P,(z,)?dS一一一6SH?叭sH一uH:一Ea-1;7()一B;7()(15)上式说明,辐射力由两局部组成:一局部和浮体的加速度成正比,比例系数A称为附加质量;另一局部和浮体的速度成正比,比例系数B称为兴波阻尼系数.它们与辐射势的关系如下:ico?dSH(16)aJ其中,广义法矢量n一(nl,n2,墙,n5,)2数值计算以登陆栈桥系统中的驳运门桥为研究对象,这里的驳运门桥取最简单的
13、结构形式,为两浮箱通过动力系数.其中,航速分为四种情况:0,一0.1,F=0.2,F=0.3.局部水动力系数曲线如图2,图3所示.其中,横坐标轴为无因次化的波浪遭遇频率,纵坐标轴为系数的无因次化公式为:一L/gn一VLD志其中:L为计算模型结构长度;V为计算模型的排水体积;为遭遇频率;p为水的密度;g为重力加速度;A.为附加质量;B为阻尼系数.111201086日4,-021614121086?12O2f0一I1k一1,2,3k一4,5,6f0k一1,2,3一11忌一4,5,6图2附加质量系数yZ,rL一.|十qA24工兵装备研究第26卷ll|5W3结论图3阻尼系数基于三维频域线性理论对驳运门
14、桥系统水动一种典型的结构形式,其结构尺寸与传统的船舶尺寸相当,从水动力系数的求解中可以看出,随着频率的增大,附加质量趋向于定值,而附加阻尼那么趋所涉及的水动力问题提供了有效的手段.参考文献:1234567891O111213namicsofMarineVehiclesandStructuresinWavesR.EditorsREDBishopandWGPrice,MechanicalEngineeringPublicationsLimited,1975.mergedbodiesnearafreesurface-ApplicationtOwaveexcitedforcesandmotionsC.
15、11thSNH,1976.structure,Three-dimensionalsourcedistributionmethods,NumericalMethodsinOffshoreEngineeringR,EditedbyZienkiewicaOC,AWiley-IntersciencePublication,1978.刘应中,缪国平.船舶在波浪上的运动理论R.上海:上海交通大学出版社,1978.和运动计算A.上海:三维流体动力计算交流讨论76.数J.中国造船,1986,(3):5-10.sponsesforarbitraryshapedbodiesusingtWOandthree-dim
16、ensionaltheoriesJ.ISP,1980,(27):8695.domainmethodforcomputingforceandmomentsactingonthreedimensionalsur-facepiercingshiphullswithforwardspeedA.3Inter.Conf.Onnum.shiphydrodynamicsC.Paris,248.timedomainanalysisA.4Inter.Conf.Onnum.131.lationswithforwardspeedusingtime-domainanalysis236.predictionsofshipmotionsandwaveloadsforstruc157.odofshipmotionsJ.Oceanengng,1998(9):7818O1.andsealoadsA.Trans,Sname,27,1970.4433221000l:.一