散货船和滚装船在极端波浪中的实验和数值垂向弯矩外文翻译资料

散货船和滚装船在极端波浪中的实验和数值垂向弯矩

摘要：本文研究了两艘船舶，即散货船和滚装/滚降引起的异常波的实验和数值垂直弯矩。实验数据通过在两个弗劳德数的首波中的缩放模型进行耐波性测试获得。波浪轨迹是预定义的，对应于北海风暴期间测量的波浪记录。这些波形记录特别有趣，因为它们都包含一个异常波。在相同的预定义波浪条件下测试了长度相似但几何形状不同的船舶模型。目的是研究极端海况条件下船体形状对垂直弯矩影响的影响。通过直接比较两个模型的测量响应得出一些结论。以实验数据为基准，以通过一个非线性时域的耐波性数值模型验证预测。然后，用数值模型对两艘船之间的比较分析进行归纳。

1 绪论

报告的经验表明，在严峻的海洋条件下导航是很危险的(Guedes Soares等, 2001; Guedes Soares and Teixeira, 2001)。 2005年4月的Norwegian Dawn(Didenkulova等., 2006)和2010年3月的MS Louis Majesty(Cavaleri et al., 2012)遇到异常波浪的船只最终产生了巨大损伤。 船舶失事，例如1999年法国沿海的单壳油轮Erika下沉，2002年加利西亚海岸的Prestige以及2000年英国海峡的双壳油轮Ievoli Sun确认了在恶劣的海洋中更好地了解船舶行为的需求。

需要进一步研究的一个重要参数是波浪垂向弯矩，经适当的安全系数校正后，为设计船体中间分段提供依据。 这个重要参数是非线性的，因为它是由于遇到极大的大角度波而造成的。 该问题可以分为两部分：确定最严重的预期波状况，以及船舶对这些波浪条件的响应的动力学计算。 本研究涉及第二个问题。

考虑到极端海况下特别是航行的非线性特性，提出了几种方法来估计波浪造成的船载荷。 “可以区分基于潜在理论的方法和解决平均雷诺数Navier-Stokes（RANS）方程的方法。 前进速度船舶的大多数方法仍然属于第一类。 在这一组中，从线性理论到完全非线性方法的方法有很多种。 在这两个极端之间，有许多部分非线性或混合的方法，其中一个旨在包括最重要的非线性效应（ISSC，2012）。

这里使用的用于计算由大振幅引起的垂直运动和全局结构载荷的数值方法的基础是由Fonseca和Guedes Soares（1998a，b）开发的。 该方法基于部分非线性时域带状理论，其中线性辐射力通过记忆函数的卷积，无限增加的质量和辐射恢复系数来表示。 在每个时间步长下，在湿润船体表面上计算弗劳德 - 克里洛夫力和静水力，并通过动量法计算甲板涌浪荷载。 Fonseca和Guedes Soares（2002,2004a，b，c）介绍了与实验数据的广泛比较。 一般的结论是，该方法能够表示实验中确定的所有非线性效应，但与线性预测相比，它做出了改进，尽管它倾向于高估中垂弯矩。

Fonseca等 （2001）提出了计算由异常波的确定性波迹引起的结构载荷的方法的泛化，并将其应用于调查集装箱（Fonseca等人，2006; Guedes Soares等，2008）和FPSO平台 （Fonseca等人，2009）。 最近，Rajen-dran等人 （2011）对集装箱船上异常波浪引起的最大弯矩影响了甲板模型敏感度上的甲板涌浪进行了调查。

还有一些报道的实验工作集中在大幅度波浪中的非线性垂直船体响应。Watanabe等人 （1989）分析了船首外飘形状对集装箱船运动和弯矩的影响。 被称为S-175的船体模型被准备适应额外的船首外飘，以便人们可以轻松地实现具有增加的外飘但具有相同的水下轮廓和动力特性的另一模型。 得出结论，增加的船首外飘形式减少了相对的船首运动和甲板湿度，然而，它增加了垂直弯矩并且可能大大变形入射波形。

Adegeest（1995）认识到缺乏关于波浪引起的垂直弯矩的实验数据，进行了具有标准的Wigley船体形式的实验，以及具有额外的船首外飘的Wigley船体形式，均在常规波中测试。这组实验的目的是获得一系列关于垂直船舶响应在头波中的幅度依赖性的数据。注意力集中在弯矩上的前三次谐波，并将该实验数据与数值方法进行比较。作者得出结论，弯矩反应的非线性不能被认为是弱的，非线性与船首的相对运动的幅度密切相关。额外的船首外飘似乎增加了弯矩中的高阶分量。
Clauss等人（2010）提出了两种不同船舶的船首形状对负荷的影响的研究，即具有V形骨架设计的滚装船，具有肥大形船首的散货船。根据各种重力水波理论，选择波高和陡度来获得不同波峰/波谷不对称波形。波浪被选中并分为三组：线性，斯托克斯Ⅱ波和斯托克斯Ⅲ波。该分析的结果表明，滚装船的垂直弯矩对较高的较陡的波浪有强烈的影响，而散货船并没有显示出很大的差异。
以往调查的回顾似乎表明，波浪引起的垂直船舶响应的非线性行为与船体几何形状非常相关 - 对于大方形系数船舶，非线性效应相对较小，对于小方形系数船舶而言，它们是较大的。本研究的目的是提出船体形状对极打波引起的波浪垂直弯矩的影响的实验证据，系统比较了具有不同方形系数的两艘船舶的线性和非线性响应效应。这两艘船是散货船（Cb0.82）和滚装船（Cb0.71）。在海面条件和几个弗劳德数下，在相同的不规则波（相同的波迹）下，在耐波性试验水池中测试了缩放模型。实验波迹是预定义的，对应于北海风暴期间测量的波浪记录。它们包括异常波，其是高度大于海况有效波高的两倍的单个波。

这些模型的运动已经在Vaacute;squez等人（2015）中进行了研究。而在本文中，将研究波浪引起的负载。通过直接比较两个模型的测量响应得出部分结论。但实验数据也用于通过部分非线性时域的耐波性数值模型验证负载预测。随后，耐波性数值模型用于对广泛的常规波浪条件下的两艘船舶之间的比较分析进行推广。

2计算方法

根据Fonseca和Guedes Soares（1998a，b）提出的方案，对以下部分进行了深入的计算。该方法假设对于真实反应的非线性作用由静水力和弗劳德 - 克里洛夫力控制，因此这些分量取决于瞬时船体润湿面积。由于入射波引起的激发力分解为衍射部分和弗劳德 - 克里洛夫部分。由于非移动船舶的存在，有关的入射波场的散射相关的衍射部分保持线性。由于这是一个线性问题，并且先验知道激波，所以可以在频域中求解，所得到的传递函数可用于产生衍射升沉力和俯仰力矩的时间历程。弗劳德 - 克里洛夫部分与入射波潜能有关，并且是在不受干扰的波浪形状下的船体湿润表面的相关压力的每个时间步长的积分结果。
辐射力在时域中由无限频率附加质量，辐射恢复系数和记忆功能的卷积积分表示。卷积积分代表整个过去的运动历史对由辐射波引起的记忆效应的影响。频域中的辐射和衍射系数均通过条带法计算。在相对运动大于干舷时，与甲板上涌浪相关的垂直力是使用动量法计算的（Buchner，1995）。这种海量数值模型是基于“部分非线性方法”。这意味着运动和负载方程组合了线性和非线性项。

时域中运动的上升和俯仰方程如下：

其中xi;3和xi;5分别表示上升和俯仰运动，并且符号上的点表示相对于时间的微分。 M是船体; g是重力加速度，I55表示围绕y轴的船惯量。

通过在未受干扰的波形下的湿润船体上的流体静力学压力以及激励力F_k^K的弗劳德 - 克里洛夫贡献来计算每个时间步长的静水力矩F₃^H和F₅^H。差分力由F_k^D表示。

在时域中通过无限频率加上质量A_kj^infin;，辐射恢复系数C_kj^m和记忆函数K _kj^m( t)的卷积积分表示的辐射力。与恢复系数相关的辐射恢复力代表由于稳定流动而对作用在船上的流体动力稳定力的校正。记忆功能和辐射恢复系数是通过傅立叶分析将时域和频率范围内的辐射力相关联获得的：

其中A_kj ( omega;)和B_kj( omega;)是由Salvesen等人提出的条带理论方法计算的频率相关附加质量和阻尼系数。（1970年）。
最后，使用动量法计算相对运动大于干舷时，与甲板上涌浪相关的垂直力F_k^gw( t )：

其中f ^gw表示每单位面积的垂直力，wi是甲板的垂直速度，m_gw表示甲板上每单位长度的水质量。 甲板上的流体动力压力包括三个术语：静水压力，一个术语，表示甲板上水质的时间变化，以及与甲板加速度相关的一个术语。 甲板上水的高度由船首和舷墙的相对运动之间的差异给出，其中相对运动取决于不受干扰的自由地面高程。 甲板上的水质与甲板上水的高度成正比。
波在横截面上引起的全局结构动力载荷由惯性力与作用在该部分的船身前部的流体动力之和的差异给出。 垂直弯矩分别为：

I_k表示与正在研究的横截面的船体前方相关联的垂直惯性或力矩。对于船舶运动的计算假设，载荷的辐射(R5)和二次分数(D5)的流体动力学贡献是线性的，弗劳德 - 克里洛夫(K5)和静水力(H5)贡献是非线性的，因为它们在每个时间步长的“精确”船体润湿表面上计算。G5表示涌浪对甲板力的结构负荷的作用。
计算所有载荷的流体动力学贡献的时域拟合与解决非定常运动问题的方法一致（详见Fonseca和Guedes Soares（1998a））。负载的约定使得弯曲弯矩为正。
综合比较实验数据和数值计算结果对于正规和非正规波形（Fonseca和Guedes Soares 2004a，b）的集约化进程已经表明，该方法能够定性地表示实验数据中确定的所有非线性效应，改善与线性解决方案相比。然而，在以前的研究中没有评估极端波浪条件。

3.试验程序

3.1实验装置

模型试验在柏林技术大学海洋工程司的耐波性试验水池进行。
散货船和滚装船舶的模型规模为1:70。试验水池长110米，测量范围90米，宽8米，水深1米。在一侧安装了电动活塞式波发生器。波发生器是完全计算机控制的，并且实现了能够产生瞬态波群，具有预定特征的确定性不规则海况以及定制关键波序列的软件（Clauss和Schmittner，2005）。已经建立了这种技术来再现各种各样的波序列，例如单个异常波以及嵌入在不规则海况中的异常波群，以便研究浮动结构对极端而又现实的波浪环境的响应（Clauss et al。，2004）。必须指出的是，可以通过优化程序来确定波浪时间轨迹，该优化程序识别产生船体最大和更危险的响应的波浪序列（Clauss等，2013）。
在试验中，模型用弹性悬挂系统拖曳，使用三角形牵引装置拉动模型而不引起弯矩。纵向运动与前面的弹簧和模型后面的配重进行连接。这样，举重和俯卧撑的动议仍然无限制。船舶运动用重心上的光学运动跟踪系统测量。

造波水池中特定的定制波群的产生是基于多波分量的叠加，考虑到高阶波分量之间的非线性相互作用。这种技术允许建模任意波序列，如单一异常波以及嵌入在不规则海域状态的异常波群。为了将记录的波转移到波槽中，使用根据Clauss和Schmittner（2005）的具有确定特征的实验生成定制波序列的优化方法。
对应于散货船和滚装船，对两艘船型（尺度为1:70）进行了测试。表1列出了船舶的主要细节（纵向重心是从船中心和垂直重心从基线测量的），而图图1和图3显示了脐带和图。图2和图4显示了模型的照片，其被分段以测量季度长度和船中的结构载荷。 Clauss等人（2009年，2010年）对实验室设置进行了详细的分析和讨论。
3.2异常波
对于模型测试，选择了从实时测量中提取的两个极端波事件（约20分钟的时间记录）。风暴期间在北海收集相关的海拔高度时间线。它们的特点是包括高度超过海面有效波高的两倍的超高单波。

表1

船体特征

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