Abou-Rayan, A.M.;Seleemah, Ayman A.;El-Gamal, Amr R.
Ocean Systems Engineering
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제2권2호
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pp.115-135
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2012
The very low natural frequencies of tension leg platforms (TLP's) have raised the concern about the significance of the action of hydrodynamic wave forces on the response of such platforms. In this paper, a numerical study using modified Morison equation was carried out in the time domain to investigate the influence of nonlinearities due to hydrodynamic forces and the coupling effect between surge, sway, heave, roll, pitch and yaw degrees of freedom on the dynamic behavior of TLP's. The stiffness of the TLP was derived from a combination of hydrostatic restoring forces and restoring forces due to cables and the nonlinear equations of motion were solved utilizing Newmark's beta integration scheme. The effect of wave characteristics such as wave period and wave height on the response of TLP's was evaluated. Only uni-directional waves in the surge direction was considered in the analysis. It was found that coupling between various degrees of freedom has insignificant effect on the displacement responses. Moreover, for short wave periods (i.e., less than 10 sec.), the surge response consisted of small amplitude oscillations about a displaced position that is significantly dependent on the wave height; whereas for longer wave periods, the surge response showed high amplitude oscillations about its original position. Also, for short wave periods, a higher mode contribution to the pitch response accompanied by period doubling appeared to take place. For long wave periods, (12.5 and 15 sec.), this higher mode contribution vanished after very few cycles.
The primary objective of this study is to present a modified method of hydroelastic analysis and application of it to the VLFS with submerged plate. The modal analysis method is applied to the VLFS with the submerged plate using the modified hydrodynamic coefficients. Namely, the wave exciting forces are modified by the transmission wave coefficients, while the interaction factor is used for the modification of radiation forces. To validate the proposed method, comparisons between the numerical calculations and experimental data have been carried out for the deflections of VLFS, and it shows good agreement between the calculation and experiment. The results presented in this study demonstrate that the elastic response of the VLFS is strongly affected by the hydrodynamic interaction induced by the submerged plate. As a result, we can confirm that the submerged plate is useful for reducing the hydroelastic deflection of VLFS, and the proposed method is valuable for predicting the elastic response of VLFS with attached the submerged plate.
Tension leg platforms (TLP's) are highly nonlinear due to large structural displacements and fluid motion-structure interaction. Therefore, the nonlinear dynamic response of TLP's under hydrodynamic wave loading is necessary to determine their deformations and dynamic characteristics. In this paper, a numerical study using modified Morison Equation was carried out in the time domain to investigate the influence of nonlinearities due to hydrodynamic forces and the coupling effect between all degrees of freedom on the dynamic behavior of a TLP. The stiffness of the TLP was derived from a combination of hydrostatic restoring forces and restoring forces due to cables and the nonlinear equations of motion were solved utilizing Newmark's beta integration scheme. The effect of wave characteristics was considered.
The objective of this study is to examine the nonlinear fluid characteristics near and inside a moonpool in various sea conditions. We estimate the flow of the free surface in a moonpool taking into account the viscosity effect and the hydrodynamic forces that affects a moonpool and hull through CFD calculations. The comparison of horizontal forces per wave length shows that the hydrodynamic force is greater for the long wave length than short wave length, and the greatest hydrodynamic force acts on the moonpool when the wave length is equal to the ship's length. The horizontal force decreases as the wave amplitude decreases, and the hydrodynamic force acting on the moonpool in ${\lambda}=LBP$ is 10 times that in ${\lambda}=LBP/3$. The free surface demonstrates the piston mode, in which it oscillates up and down while remaining essentially flat, and the rise of the free surface level increases as the wave length increases. We can assume that the hydrodynamic force acting on the moonpool increases owing to the effect of a strong vortex for ${\lambda}=LBP$ and owing to the rise of the free surface level for ${\lambda}=LBP{\times}2$.
The hydrodynamic forces acting on the submerged plate are composed of diffraction and radiation forces. Thus we have carried out the extensive experiments and numerical simulations to make clear the characteristics of the diffraction and radiation forces on the submerged plate. These experimental results are compared with the numerical ones, and we discuss the effect of nonlinear on the hydrodynamic forces acting on the submerged plate. As a result, we get the conclusion that the submerged plate is useful for reducing the wave exciting forces on the structure behind the submerged plate.
An analysis is made of hydrodynamic forces acting horizontally on a two-dimensional cylinder, when it is exposed to incident waves and consequently undergoes a swaying motion in shallow water. Applying the method of matched asymptotic expansions the added mass, wave damping and the wave exciting force are obtained in terms of the difference in potential across the cylinder in a simple manner. The potential jump is related to the so-called blockage coefficient which is determined purely from geometry. It is found that the wave damping coefficient can not exceed the blockage coefficient.
A study, using potential water wave theory, is conducted on the oblique water wave motion over two fixed submerged rectangular blocks (breakwaters) placed over a finite step bottom. We have considered infinite and semi-infinite fluid domains. In both domains, the Fourier expansion method is employed to obtain the velocity potentials explicitly in terms of the infinite Fourier series. The unknown coefficients appearing in the velocity potentials are determined by the eigenfunction expansion matching method at the interfaces. The derived velocity potentials are used to compute the hydrodynamic horizontal and vertical forces acting on the submerged blocks for different values of block thickness, gap spacing between the two blocks, and submergence depth of the upper block from the mean free surface. In addition, the wave load on the vertical wall is computed in the case of the semi-infinite fluid domain for different values of blocks width and the incident wave angle. It is observed that the amplitudes of hydrodynamic forces are negligible for larger values of the wavenumber. Furthermore, the upper block experiences a higher hydrodynamic force than the lower block, regardless of the gap spacing, submergence depth, and block thickness.
Side-by-side offloading operations are widely utilized in engineering practice. The hydrodynamic interactions between two vessels play a crucial role in safe operation. This study focuses on the coupled effects between two floating bodies positioned side-by-side as a shuttle tanker-FPSO (floating production, storage and offloading) system. Several wave directions with different side-by-side distances are studied in order to obtain the variation tendency of the horizontal hydrodynamic coefficients, motion responses and mean drift forces. It is obtained that the coupled hydrodynamics between two vessels is evidently distinguished from the single body case with shielding and exaggerating effects, especially for sway and yaw directions. The resonance frequency and the peak amplitude are closely related with side-by-side separation distance. In addition, the horizontal hydrodynamics of the shuttle tanker is more susceptible to coupled effects in beam waves. It is suggested to expand the gap distance reasonably in order to reduce the coupled drift forces effectively. Attention should also be paid to the second peaks caused by hydrodynamic coupling. Since the horizontal mean drift forces are the most mainly concerned forces to be counteracted in dynamic positioning (DP) system and mooring system, prudent prediction is beneficial in saving consumed power of DP system and reducing tension of mooring lines.
When a ship is travelling in following seas, the encounter frequency is reduced to be very low. In that case broaching phenomenon is most likely to occur, and it may be due to wave exciting forces acting on ships. It is thought that the wave exciting forces acting on ships in following seas almost consist of two components. One is hydrostatic force due to Froude-Krylov hypothesis, and the other is hydrodynamic lift force due to orbital motion of water particles below the wave surface. In the present paper, the emphasis is laid upon wave exciting sway force, yaw moment and roll moment acting on ships in following seas. The authers take the case that the component of ship speed in the direction of wave propagation is equal to the wave celerity, i.e., the encounter frequency is zero. Hydrostatic force components are calculated by line integral method on Lewis form plane, and hydrodynamic lift components are calculated by lifting surface theory. Furthermore captive model tests are carried out in regular following waves generated by means of a wave making board. Through the comparison between calculated and measured values, it is confirmed that the wave exciting forces acting on ships in following seas can be predicted in terms of present method to a certain extent.
신개념의 해상 교통 인프라인 부유식 해중철도의 합리적인 설계를 위해서는 파랑 중에 해중철도 구조체에 가해지는 유체력을 추정하여야 한다. 간편하지만 정확도 높은 유체력 추정을 위해 유체동력학 이론을 이용한 계산식을 제안하고, 수조에서 상사 모형에 대해 실험을 수행하여 비교 평가하였다. Morison식과 선형 미소진폭 파이론을 이용하여 계산된 관성력과 항력은 모형 실험 결과를 통해 계측된 유체력과 양호한 일치를 얻었다. 해중철도 구조체에 작용하는 항력은 관성력에 비해 무시할 만한 수준이었고, 파력은 파수에 따라 큰 변동을 보이지 않으나 파고에는 선형적으로 비례함을 알 수 있었다. 선형 파이론과 Morison식은 해중철도 설계 시에 간편하고 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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