码头水动力分析

PetroLNG公司是新加坡一家从事海事、海岸及深海领域的流体分析、高等结构分析提供商。近年为客户提供专业的计算流体力学分析(CFD)和非线性有限元分析(Non-linear FEA)。
 
本文为读者分享PetroLNG采用CFD为近岸码头进行的水动力分析,供大家批评、指正。
 

概述

该分析的近岸码头位于新加坡海域,分析目的主要有2个:
  • 确定海墙(seawall)位置和高度
  • 计算浮筒(pontoon)所受波浪力
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图 1‑1 近岸码头位置

 

风况

 

对于新加坡水域的风况,我们综合了肯尼迪机场气象数据集(NOAA), NCEP和 CFSR等全球风数据集获得的。 图2-1显示了NOAA数据检索点的位置。它位于(1°N,104.3°E),该位置大约对应于波生成和转换模型的中心。
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图2 - 1 码头位置 (1°N, 104.3°E)

基于NOAA的风数据集,对风况进行了分析。图2-2和表2-1分别显示了NOAA数据获取点(1°N,104.3°E)的风向和风速-风向散布表。
从数据中可以明显看出,在大多数时间中,N,NNE,SE和SSE的风速主要由中等风速决定,并且风速通常低于6m / s。
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图2 - 2 风向玫瑰图
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风速分布图

基于NOAA的后预报风数据进行了极值分析(EVA),以得出对应于不同返回时间段和不同风向的极端风速。选择威布尔分布函数(WEI)和矩量方法(MOM)。

表2-2总结了NOAA离岸点不同返回期和不同方向的极端风速。

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表2 - 2 极限风速 (1°N, 104.3°E).

 

波的产生和传播

 

我们通过以下三个步骤确定了项目地点的极端波浪条件。
步骤1:使用新加坡近海波浪模型推导波浪的产生和转化过程,并考虑了表2-1华为2-2中所述的极端风况;
步骤2:从步骤1中提取靠近项目地点的极端波,并考虑经过的船舶引起的波向,推导出局部波搅动模型的边界条件;
步骤3:使用局部波浪搅动模型,并结合第4章中所述的波浪传播分析,得出项目地点的极端波浪条件。
用于推导波浪产生和转换过程的近海波浪模型是SWAN模型。为了获得极端波浪条件,规定了来自不同风向的极端风速作为近海波浪模型的驱动力。
 
SWAN是由代尔夫特理工大学开发的第三代波浪模型,用于计算沿海地区和内陆水域的随机,短波顶风产生的波浪。该模型基于具有源和汇的波动作用平衡方程(或在没有电流的情况下的能量平衡)。
 
SWAN中通过以下方式模拟波的传播过程:
  • 通过地理空间的直线传播;
  • 由于底部和电流的空间变化而引起的折射;
  • 由于底部和水流的空间变化而产生浅滩;
  • 反向电流的阻挡和反射;
  • 透过,阻碍或反射次电网障碍物。
SWAN中通过以下方式模拟波的产生和耗散过程:
  • 风能发电;
  • 白帽消散;
  • 由于深度引起的波浪破裂而消散;
  • 由于底部摩擦而耗散;
  • 波波相互作用(四联体和三联体);
  • 障碍物。
有关SWAN模型的更多信息,请访问(复制至浏览器打开):
https://www.tudelft.nl/en/ceg/about-faculty/departments/hydraulic-engineering/sections/environmental-fluid-mechanics/research/swan/
 

网络划分

 

图3-1显示了新加坡近海波浪模型的范围,测深和计算网格,用于波浪的产生和转换模拟。
该模型覆盖了新加坡水域的大部分近海,水平和垂直方向均约150公里。确定模型范围是为了能够准确描述风波的产生,并确保将风从主要方向彻底转换到项目位置。
沿海方的网格单元大小约为1.5 km,并在靠近榜鹅海洋前哨站和榜鹅点码头附近的20 m处减小,并具有详细的网格以解决项目近海。
 
模型测深法来自三个数据源:
  • ETOPO全球测深数据,网格分辨率为30英寸;
  • 新加坡航海图;
  • 客户发布的调查数据
所有测深数据集均转换为海图基准面,并进行了无缝过渡,以确保数据集在合并或重叠的地方,不会因调查或转换不准确而在模型中引入突然的步骤。
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图3 - 1 网格划分及模型范围

通过参数化分析,我们得出码头所在地的波浪模型设置。

表3 - 1 Summary of the Singapore regional wave model settings
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船浪(Ship waves)

 

根据历史数据研究发现,过往船舶最大排水量为300吨,速度最大为12节,可用于计算船舶波浪。在给定排量的情况下,使用世界水运基础设施协会(PIANC)推荐的公式计算波高,波长长度和周期表示如下:

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其中,

H – 船经过的波高 (m);

h – 水深 (m);

s – 途径船的距离 (m);

V – 船的航速 (m/s);

g – 重力加速度 (m/s2);

L – 波长 (m);

T – 波周期 (s)

根据新加坡海事局在2005年3月公开发布的规定,通过V船的速度为12 kt。假定与s的距离为s = 22m,则船浪计算如下:H = 0.76m, T = 3.21 s.

 

 

复合波

 

日本海外沿海开发研究所(OCDI; 2009)建议使用以下方程式确定不同波浪群的复合波浪:

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其中,

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其中,

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基于以上等式,考虑前所述的风浪和船浪,计算了P1至P3处的复合极端波,并总结了表3-5至表3-7。主要方向:N,E和W。

表3 - 5 极限复合浪
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波浪搅动模型

 

结合波浪传播分析,采用波浪搅动模型推导工程所在地的极端波浪情况。

波浪搅拌模型是由美国特拉华大学(University of Delaware)开发的全非线性Boussinesq波浪模型(FUNWAVE)建立的。特拉华大学开发的全非线性Boussinesq波模型(FUNWAVE)用于对榜鹅海洋哨所和榜鹅点码头内部的波穿透和波干扰进行建模。

 

FUNWAVE可用于研究港口,港口和沿海地区的波浪动力学。它是一个时域相位解析模型,能够重现大多数波现象的综合影响,包括折射,浅滩,衍射,破裂,部分反射和透射,非线性波波相互作用,频率色散和方向色散。该模型需要以下输入:

  • 数字测深仪;

  • 基本模型参数,描述模型近海的范围,计算模型网格的网格间距,时间步长和仿真持续时间;

  • 在模型近海边界或内部通用时间序列描述的入射波条件;

  • 孔隙度(反射和透射系数),描述模型近海内所有结构和自然障碍物(防波堤,码头墙,海滩等)的反射特性;

  • 海绵层的描述,海绵层是吸收传播到该近海的所有波能的近海(即无反射)。

有关FUNWAVE模型的更多信息,请访问(复制至浏览器打开):

http://www1.udel.edu/kirby/programs/funwave/funwave.html

 

Model bathymetry

 

 图4-1显示了用于波浪穿透和扰动模拟的波浪搅动模型的范围,测深和计算网格。这里我们研究了两个案例:案例1 –完整的海堤;案例2 –半个海堤。

 

该模型覆盖了项目所在地的水域,水平和垂直方向分别约为360m和320m。模型范围大致对应于可获得调查数据的调查近海。

 

该模型使用的矩形网格的网格间距均匀为1m。模型测深法来自客户发布的调查数据。

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案例1 –完整的海堤

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半个海堤 

图4 - 1 波浪搅动模型

 

边界条件

 

从波的产生和转换研究中,提取了在波振动模型边界处的极端波。波浪搅动模型的边界条件是结合过往船舶产生的船舶波浪得出的,如表3-5至表3-7所示。我们也使用具有相应波高Hm0,波周期Tp和平均波向的定向不规则波来定义波搅动模型的入射波条件。

 

模拟结果

 

对于N,E和W的风向,分别在图4-2至图4-4中给出了仿真结果的示例。

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案例1 –完整的海堤

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案例2-半个海堤 

图4 - 2 波浪衍射图

 

浪穿透

 

波的穿透原理,我们采用沿海工程手册(CEM;2006年)建议,对于单色波且不出现超调现象,可以通过以下方式计算得出的透射系数:

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其中,

d – 水深(m);

y – 障碍物高度 (m);

k – 波数;

L – 波长

在海堤以下,在CD之下d≈6m,在CD之下y = 1 m,L≈16m,计算的波传播系数为:C_t = 0.37。

表4 - 1 设计极限波况 (案例1)

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表4 - 1 设计波况 (案例2)

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浮桥上的波浪力

 

记下来我们依据从波频率力和波漂移力上的波势动力学计算作用在浮船上的波力。

计算案例1和案例2下的力。

表5- 1总波浪力是波浪频率力和波浪漂移力的总和:

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结论

 

本文通过近海波浪模型SWAN对近海码头进行CFD仿真。仿真结构有效显示长堤对于浮桥受力更有利。CFD仿真结果也对浮桥的结构设计提供了原始数据。

作者简介

 

Johnson

新加坡南洋理工大学博士,英国皇家船舶学会特许工程师。

2012年博士毕业以来投身海洋工程,主要从事海洋水动力计算、油气设备多流体分析、非线性有限元分析、结构冲击动力学分析。目前已经为PetroLNG的国际客户主持多项CFD分析项目、FPSO结构分析计算、FPSO抗撞结构分析(ship collision analysis)、FPSO 防火结构计算(PFP analysis).

原文始发于微信公众号(技术邻CAE学院):专栏 | 码头水动力分析

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  • 文本由 发表于 2021年2月20日13:06:28
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匿名

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