台风作用下船舶单点系泊的试验研究

论文摘要

防风单点系泊系统是我国大量使用的一种单点系泊系统,该系统目前主要利用经验公式进行系泊力的设计。本文使用数值计算和物理模型试验对单点系泊的系泊力进行研究。文章在分析了国内外对单点系泊系统研究成果的基础上,采用时域分析方法初步建立了单点系泊系统在风、浪、流联合作用下的数值计算模型。在建立的数值计算模型中用非线性Stokes五阶波作为系泊系统的波浪外荷载输入,计入Bernoulli方程中的速度平方项体现波浪二阶力对系泊系统的影响,在Hamilton型拟变分原理体系下,采用了一种时间子域以五次B样条函数插值的时间子域法。用数值模型及六个船舶系泊力经验计算公式对四种舰船在给定的设计海况下的系泊力进行计算,在此基础上,找到了适合狭长船型使用的防风单点系泊系泊力的计算公式即奎因公式。在物理模型试验中,使用弗劳德数(Froude number)相似确定船模、缆绳、锚链及风速等模型比尺。通过模型试验来确定奎因公式中的参数,如风动力影响系数、水流力组合系数。还对三种特征舰船的防风系泊进行了物理模型试验,研究了防风水鼓单点系泊系统在风、浪、流单独作用和组合作用下的运动规律和受力特征,分析了防风单点系泊的影响因素及影响程度,提出了更适合舰船使用的防风水鼓单点系泊系统系泊力的经验计算公式。根据实验数据发现:风和流共同作用引起的系泊力与单风、单流作用下产生系泊力的叠加值不一致,风和流对产生单点系泊系统系泊力方面存在耦合效应,文中在奎因公式基础上引入风流耦合效应系数μ,发现μ和船舶水线上下面积比Au/Ad有良好的相关关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 单点系泊系统简介
• 1.3 国内外研究进展
• 1.4 本文研究的内容
• 2 试验理论基础
• 2.1 相似概说
• 2.1.1 物理模型与数学模型
• 2.1.2 相似概念和准则
• 2.1.3 几何相似和运动相似
• 2.2 相似方法
• 2.2.1 量纲分析法
• 2.2.2 动力模拟法
• 2.3 波浪理论
• 2.3.1 微幅波（线性波浪）理论
• 2.3.2 非线性波浪理论
• 2.3.3 Stokes 五阶波公式中超越方程组的求解
• 2.4 流体荷载计算
• 2.4.1 波浪对船舶的作用
• 2.4.2 海流对船舶的作用
• 2.4.3 风对船舶的作用
• 3 台风作用下单点系泊系统数值模拟
• 3.1 数值方法
• 3.1.1 中心差分法
• 3.1.2 Houbolt 法
• 3.1.3 Wilson-θ法
• 3.1.4 Hamilton 型拟变分原理B 样条函数法
• 3.2 数值建模
• 3.2.1 平面假定
• 3.2.2 定常流假定
• 3.2.3 Stokes 五阶波
• 3.2.4 不考虑波浪和海流的耦合关系
• 3.3 船舶在风、浪、流联合作用下的运动
• 3.3.1 船舶的运动方程
• 3.3.2 外荷载
• 3.3.3 系缆力
• 3.4 初始条件的确定
• 3.5 非线性项的处理
• 3.6 系缆张力的计算
• 3.7 程序流程图
• 3.8 系泊力计算公式
• 3.9 算例及结论
• 4 台风作用下单点系泊系统物理模型试验
• 4.1 概述
• 4.2 分析及结论
• 4.2.1 风速的影响
• 4.2.2 流速的影响
• 4.2.3 波浪的影响
• 4.2.4 风和流的耦合作用
• 4.2.5 风、流、浪联合作用
• 4.2.6 船舶水线上下面积比Au/Ad 的影响
• 4.2.7 试验结论
• 4.3 系泊力计算公式修订
• 4.3.1 风引起的系泊力
• 4.3.2 流引起的系泊力
• 4.3.3 台风作用下系泊力计算公式
• 5 结论
• 附件一：《防风水鼓系泊系统物理模型试验报告》（部分）
• 参考文献
• 硕士期间发表论文情况
• 致谢