CN114386340A - 一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，解决目前船行波与系泊船舶相互作用模拟的不足，提出了一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法。此方法无需经验公式估算船行波，也无其他限制条件，可评估一艘船及多艘船产生的船行波；同时也可以考虑码头、系泊船舶、非线性缆绳、非线性护舷等影响；并可选择在船舶长度范围内考虑船行波的不均匀性，在系泊船舶数值模拟中，考虑船行波的波浪场分布；较为精细地评估船行波对系泊船舶的影响，并为系泊船舶的安全作业提供完善的方案和建议。

Description

一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法

技术领域

本发明涉及近海港口与海洋工程技术领域，具体而言，涉及一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法。

背景技术

随着全球航运业的高速发展及船舶大型化的趋势，单船载货能力越发增强，但是相应的港口建设却难以跟上船舶发展的步伐，在修建大型码头时，常常由于岸线水深不满足船舶吃水条件，就直接把码头布置在主要的通航线路上。当航行船舶驶过系泊船舶时，系泊船舶受到船行波的影响会产生力和力矩，从而导致剧烈运动。严重时可能会掀翻小船，造成财产的损失和人员伤亡。尤其是航道中船舶的航行速度较快，或航行船舶距离码头上的系泊船舶较近时，将会引发系泊船大幅度的运动，可能中断装卸工作的正常进行；或者系泊缆绳应力增大，码头护舷会受到撞击，发生缆绳断裂，进而导致系泊船的船体受损或码头损坏，造成重大安全事故，因此我们对此做出改进，提出一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题，为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，包括以下步骤：S1建立航行船舶的网格模型；S2、建立系泊船舶的网格模型；S3、在CFD软件中建立船行波的分析模型，所述分析模型包括航行船舶、计算水域范围；S4、分析航行船舶与系泊船舶的距离确定船行波分析的计算域；S5、设置边界条件；S6、自由液面进行多层网格加密；S7、求解湍流模型得到航行船舶的船后兴波云图；S8、建立系泊船舶和码头的网格模型，在频域内计算船舶的水动力载荷；S9、应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果；S10、提取CFD模拟的船后兴波结果，制作成MIKE需要的波浪场文件，作为输入条件导入到环境条件中；S11、计算船行波影响下的系泊船舶六自由度运动量变化、系缆力变化以及护舷撞击力的变化；S12、当超出安全作业规定的数值调整系缆方式或者降低航行船舶的速度等措施，以满足系泊船舶作业安全的要求。

作为本申请优选的技术方案，所述S1建立航行船舶的网格模型中按照航行船舶的主尺度、型线数值，建立航行船舶的湿表面模型，并划分网格，其中航行船舶的船长为L_N，船宽为B_N，吃水为T_N。

作为本申请优选的技术方案，所述S2建立系泊船舶的网格模型中，按照系泊船舶的主尺度、型线数值建立系泊船舶的湿表面模型并划分网格，其中系泊船舶的船长为L_M，船宽为B_M，吃水为T_M。

作为本申请优选的技术方案，所述S3分析航行船舶与系泊船舶的距离中，其中计算域宽度取为3*L_M，为了使航行船舶产生的船行波到系泊船舶区域时是稳定的状态，前部分长度宜设为3*L_M，后部分长度宜设为6*L_M，水深设置成航道/港池水深。

作为本申请优选的技术方案，所述S5设置边界条件为航行船舶表面、水底以及流域两侧壁面为无滑移壁面边界，流域右侧设置为压力出口，其余边界设置为速度入口；使用双层壁面模型对近壁流场进行处理，y⁺作为近壁区域局部雷诺数的无因次参数，其定义为：

其中D是船长，Re为雷诺数，y指第一层网格的厚度值，设置第一层网格时，需满足50≤y⁺≤250。

作为本申请优选的技术方案，所述S6自由液面进行多层网格加密，采用VOF流体体积方法来捕捉液面形状，航行船舶的航行轨迹用重叠网格来实现，流域中航行船舶1.5*BN的区域设置为重叠网格区域，其他区域均为背景区域，重叠区域与背景区域之间通过重叠网格交界面实现流场数据的传递。

作为本申请优选的技术方案，所述S8应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果中按照码头的平面布置和护舷、缆绳的力学属性，模拟非线性护舷和缆绳，建立码头系泊船舶、缆绳和护舷相互作用的耦合时域分析模型；

其中，M_jk，a_jk，K_jk、C_jk分别是质量矩阵、附加质量矩阵、静水回复矩阵和阻尼矩阵，F_j，passing(t)是船行波引起的波浪力，F_jnl(t)是除波浪激励力，其他外力的统称。

作为本申请优选的技术方案，所述F_jnl(t)是除波浪激励力求解公式为：

F_jnl(t)＝F_j，moor(t)+F_j，fender(t)+F_j，visc(t)

其中，F_j，moor(t)是缆绳力，F_j，fender(t)是护舷力，F_j，visc(t)是粘性阻尼力，F_j，passing(t)是船行波引起的力；

所述F_j，moor(t)是缆绳力包括了缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量。

作为本申请优选的技术方案，所述F_j，moor(t)缆绳力包括缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量。

作为本申请优选的技术方案，所述F_j，fender(t)是护舷力包括护舷的挤压力R(dl)，以及护舷线性阻尼力F_{j，fender，damp}(t)和护舷的摩擦力F_j，fric(t)，公式为：

F_j，fender(t)＝R(dl)+F_{j，fender，damp}(t)+F_j，fric(t)

其中n_j，f(t)为指向护舷力的矢量，

为在j自由度运动的线性阻尼系数，μ是护舷的摩擦系数，V_S，F，j(t)是船接触点与护舷接触点的相对速度。

粘性阻尼力的公式为：

其中B⁰，B¹，B²和B³分别是粘性力的常数项，线性项，二阶项和三次项系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

在本申请的方案中：

1.通过无需采用经验公式计算，直接根据流体动力学理论，模拟船行波的波面过程，考虑到船行波的不均匀性，还可将系泊船舶附近的波浪场输出，根据MIKE所需生成船行波的波浪场文件。从而将船行波对系泊船舶的作用，真实地反映出来；

2.通过采用VOF流体体积方法来捕捉液面形状，航行船舶的航行轨迹用重叠网格来实现，流域中航行船舶1.5*BN的区域设置为重叠网格区域，其他区域均为背景区域，重叠区域与背景区域之间通过重叠网格交界面实现流场数据的传递。

附图说明：

图1为本申请提供的技术路线图图；

图2为本申请提供的位置示意；

图3为本申请提供的CFD模型平面图；

图4为本申请提供的CFD模型示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一种具体实施方式，不限于全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4，一种具体实施方式，一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，包括以下步骤：S1建立航行船舶的网格模型；S2、建立系泊船舶的网格模型；S3、在CFD软件中建立船行波的分析模型，所述分析模型包括航行船舶、计算水域范围；S4、分析航行船舶与系泊船舶的距离确定船行波分析的计算域；S5、设置边界条件；S6、自由液面进行多层网格加密；S7、求解湍流模型得到航行船舶的船后兴波云图；S8、建立系泊船舶和码头的网格模型，在频域内计算船舶的水动力载荷；S9、应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果；S10、提取CFD模拟的船后兴波结果，制作成MIKE需要的波浪场文件，作为输入条件导入到环境条件中；S11、计算船行波影响下的系泊船舶六自由度运动量变化、系缆力变化以及护舷撞击力的变化；S12、当超出安全作业规定的数值调整系缆方式或者降低航行船舶的速度等措施，以满足系泊船舶作业安全的要求。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述S1建立航行船舶的网格模型中按照航行船舶的主尺度、型线数值，建立航行船舶的湿表面模型，并划分网格，其中航行船舶的船长为L_N，船宽为B_N，吃水为T_N。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述S2建立系泊船舶的网格模型中，按照系泊船舶的主尺度、型线数值建立系泊船舶的湿表面模型并划分网格，其中系泊船舶的船长为L_M，船宽为B_M，吃水为T_M。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述S3分析航行船舶与系泊船舶的距离中，其中计算域宽度取为3*L_M，为了使航行船舶产生的船行波到系泊船舶区域时是稳定的状态，前部分长度宜设为3*L_M，后部分长度宜设为6*L_M，水深设置成航道/港池水深。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述S5设置边界条件为航行船舶表面、水底以及流域两侧壁面为无滑移壁面边界，流域右侧设置为压力出口，其余边界设置为速度入口；使用双层壁面模型对近壁流场进行处理，y⁺作为近壁区域局部雷诺数的无因次参数，其定义为：

其中D是船长，Re为雷诺数，y指第一层网格的厚度值，设置第一层网格时，需满足50≤y⁺≤250。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述S6自由液面进行多层网格加密，采用VOF流体体积方法来捕捉液面形状，航行船舶的航行轨迹用重叠网格来实现，流域中航行船舶1.5*BN的区域设置为重叠网格区域，其他区域均为背景区域，重叠区域与背景区域之间通过重叠网格交界面实现流场数据的传递。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述S8应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果中按照码头的平面布置和护舷、缆绳的力学属性，模拟非线性护舷和缆绳，建立码头系泊船舶、缆绳和护舷相互作用的耦合时域分析模型；

其中，M_jk，a_jk，K_jk、C_jk分别是质量矩阵、附加质量矩阵、静水回复矩阵和阻尼矩阵，F_j，passing(t)是船行波引起的波浪力，F_jnl(t)是除波浪激励力，其他外力的统称。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述F_jnl(t)是除波浪激励力求解公式为：

F_jnl(t)＝F_j，moor(t)+F_j，fender(t)+F_j，visc(t)

其中，F_j，moor(t)是缆绳力，F_j，fender(t)是护舷力，F_j，visc(t)是粘性阻尼力，F_j，passing(t)是船行波引起的力；

所述F_j，moor(t)是缆绳力包括了缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述F_j，moor(t)缆绳力包括缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量。

作为优选的实施方式，在上述方式的基础上，进一步的，所述F_j，fender(t)是护舷力包括护舷的挤压力R(dl)，以及护舷线性阻尼力F_{j，fende，damp}(t)和护舷的摩擦力F_j，fric(t)，公式为：

F_j，fender(t)＝R(dl)+F_{j，fender，damp}(t)+F_j，fric(t)

其中n_j，f(t)为指向护舷力的矢量，

为在j自由度运动的线性阻尼系数，μ是护舷的摩擦系数，V_S，F，j(t)是船接触点与护舷接触点的相对速度。

粘性阻尼力的公式为：

其中B⁰，B¹，B²和B³分别是粘性力的常数项，线性项，二阶项和三次项系数。

工作原理：本发明在使用的过程中，包括以下步骤：S1建立航行船舶的网格模型，所述S1建立航行船舶的网格模型中按照航行船舶的主尺度、型线数值，建立航行船舶的湿表面模型，并划分网格，其中航行船舶的船长为L_N，船宽为B_N，吃水为T_N；S2、建立系泊船舶的网格模型，按照系泊船舶的主尺度、型线数值建立系泊船舶的湿表面模型并划分网格，其中系泊船舶的船长为L_M，船宽为B_M，吃水为T_M；S3、在CFD软件中建立船行波的分析模型，所述分析模型包括航行船舶、计算水域范围，其中计算域宽度取为3*L_M，为了使航行船舶产生的船行波到系泊船舶区域时是稳定的状态，前部分长度宜设为3*L_M，后部分长度宜设为6*L_M，水深设置成航道/港池水深；S4、分析航行船舶与系泊船舶的距离确定船行波分析的计算域；S5、设置边界条件为航行船舶表面、水底以及流域两侧壁面为无滑移壁面边界，流域右侧设置为压力出口，其余边界设置为速度入口；使用双层壁面模型对近壁流场进行处理，y⁺作为近壁区域局部雷诺数的无因次参数，其定义为：

其中D是船长，Re为雷诺数，y指第一层网格的厚度值，设置第一层网格时，需满足50≤y⁺≤250；S6、自由液面进行多层网格加密，采用VOF流体体积方法来捕捉液面形状，航行船舶的航行轨迹用重叠网格来实现，流域中航行船舶1.5*BN的区域设置为重叠网格区域，其他区域均为背景区域，重叠区域与背景区域之间通过重叠网格交界面实现流场数据的传递；S7、求解湍流模型得到航行船舶的船后兴波云图；S8、建立系泊船舶和码头的网格模型，在频域内计算船舶的水动力载荷中按照码头的平面布置和护舷、缆绳的力学属性，模拟非线性护舷和缆绳，建立码头系泊船舶、缆绳和护舷相互作用的耦合时域分析模型；

其中，M_jk，a_jk，K_jk、C_jk分别是质量矩阵、附加质量矩阵、静水回复矩阵和阻尼矩阵，F_j，passing(t)是船行波引起的波浪力，F_jnl(t)是除波浪激励力，其他外力的统称，所述F_jnl(t)是除波浪激励力求解公式为：

F_jnl(t)＝F_j，moor(t)+F_j，fender(t)+F_j，isc(t)

其中，F_j，moor(t)是缆绳力，F_j，fender(t)是护舷力，F_j，visc(t)是粘性阻尼力，F_j，passing(t)是船行波引起的力；

所述F_j，moor(t)是缆绳力包括了缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量，所述F_j，moor(t)缆绳力包括缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量，所述F_j，fender(t)是护舷力包括护舷的挤压力R(dl)，以及护舷线性阻尼力F_{j，fender，damp}(t)和护舷的摩擦力F_j，fric(t)，公式为：

F_j，fender(t)＝R(dl)+F_{j，fender，damp}(t)+F_j，fric(t)

其中n_j，f(t)为指向护舷力的矢量，

为在j自由度运动的线性阻尼系数，μ是护舷的摩擦系数，V_S，F，j(t)是船接触点与护舷接触点的相对速度。

粘性阻尼力的公式为：

其中B⁰，B¹，B²和B³分别是粘性力的常数项，线性项，二阶项和三次项系数；S9、应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果；S10、提取CFD模拟的船后兴波结果，制作成MIKE需要的波浪场文件，作为输入条件导入到环境条件中；S11、计算船行波影响下的系泊船舶六自由度运动量变化、系缆力变化以及护舷撞击力的变化；S12、当超出安全作业规定的数值调整系缆方式或者降低航行船舶的速度等措施，以满足系泊船舶作业安全的要求。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，包括以下步骤：S1建立航行船舶的网格模型；S2、建立系泊船舶的网格模型；S3、在CFD软件中建立船行波的分析模型，所述分析模型包括航行船舶、计算水域范围；S4、分析航行船舶与系泊船舶的距离确定船行波分析的计算域；S5、设置边界条件；S6、自由液面进行多层网格加密；S7、求解湍流模型得到航行船舶的船后兴波云图；S8、建立系泊船舶和码头的网格模型，在频域内计算船舶的水动力载荷；S9、应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果；S10、提取CFD模拟的船后兴波结果，制作成MIKE需要的波浪场文件，作为输入条件导入到环境条件中；S11、计算船行波影响下的系泊船舶六自由度运动量变化、系缆力变化以及护舷撞击力的变化；S12、当超出安全作业规定的数值调整系缆方式或者降低航行船舶的速度等措施，以满足系泊船舶作业安全的要求。

2.根据权利要求1所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述S1建立航行船舶的网格模型中按照航行船舶的主尺度、型线数值，建立航行船舶的湿表面模型，并划分网格，其中航行船舶的船长为L_N，船宽为B_N，吃水为T_N。

3.根据权利要求1所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述S2建立系泊船舶的网格模型中，按照系泊船舶的主尺度、型线数值建立系泊船舶的湿表面模型并划分网格，其中系泊船舶的船长为L_M，船宽为B_M，吃水为T_M。

4.根据权利要求1所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述S3分析航行船舶与系泊船舶的距离中，其中计算域宽度取为3*L_M，为了使航行船舶产生的船行波到系泊船舶区域时是稳定的状态，前部分长度宜设为3*L_M，后部分长度宜设为6*L_M，水深设置成航道/港池水深。

5.根据权利要求1所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述S5设置边界条件为航行船舶表面、水底以及流域两侧壁面为无滑移壁面边界，流域右侧设置为压力出口，其余边界设置为速度入口；使用双层壁面模型对近壁流场进行处理，y⁺作为近壁区域局部雷诺数的无因次参数，其定义为：

其中D是船长，Re为雷诺数，y指第一层网格的厚度值，设置第一层网格时，需满足50≤y⁺≤250。

6.根据权利要求1所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述S6自由液面进行多层网格加密，采用VOF流体体积方法来捕捉液面形状，航行船舶的航行轨迹用重叠网格来实现，流域中航行船舶1.5*BN的区域设置为重叠网格区域，其他区域均为背景区域，重叠区域与背景区域之间通过重叠网格交界面实现流场数据的传递。

7.根据权利要求1所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述S8应用MIKE软件的Mooring Analysis模块，直接导入频域计算的水动力载荷结果中按照码头的平面布置和护舷、缆绳的力学属性，模拟非线性护舷和缆绳，建立码头系泊船舶、缆绳和护舷相互作用的耦合时域分析模型；

其中，M_jk，a_jk，K_jk、C_jk分别是质量矩阵、附加质量矩阵、静水回复矩阵和阻尼矩阵，F_j，passing(t)是船行波引起的波浪力，F_jnl(t)是除波浪激励力，其他外力的统称。

8.根据权利要求7所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述F_jnl(t)是除波浪激励力求解公式为：

F_jnl(t)＝F_j，moor(t)+F_j，fender(t)+F_j，visc(t)

其中，F_j，moor(t)是缆绳力，F_j，fender(t)是护舷力，F_j，visc(t)是粘性阻尼力，F_j，passing(t)是船行波引起的力；

所述F_j，moor(t)是缆绳力包括了缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量。

9.根据权利要求8所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述F_j，moor(t)缆绳力包括缆绳因变形产生的拉力F_line(dl)，以及缆绳的阻尼力，公式为：

和

分别为在j自由度运动的线性阻尼系数和2次项阻尼系数，n_j，l(t)为指向缆绳力的矢量。

10.根据权利要求8所述的一种评估船行波对系泊船舶运动影响的技术方法，其特征在于，所述F_j，fender(t)是护舷力包括护舷的挤压力R(dl)，以及护舷线性阻尼力F_{j，fender，damp}(t)和护舷的摩擦力F_j，fric(t)，公式为：

F_j，fender(t)＝R(dl)+F_{j，fender，damp}(t)+F_j，fric(t)

其中n_j，f(t)为指向护舷力的矢量，

为在j自由度运动的线性阻尼系数，μ是护舷的摩擦系数，V_S，F，j(t)是船接触点与护舷接触点的相对速度；

粘性阻尼力的公式为：

其中B⁰，B¹，B²和B³分别是粘性力的常数项，线性项，二阶项和三次项系数。

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