基于有限体积Simo-Reissner梁方法的系泊浮体动力学耦合模拟研究

《Applied Ocean Research》：A finite volume Simo–Reissner beam method for moored floating body dynamics

本文推荐一种基于几何精确Simo-Reissner梁模型的有限体积系泊线新模型，用于分析浮式刚性体与系泊线间的相互作用。研究人员在OpenFOAM框架内实现了完全耦合的流体-结构相互作用模拟，通过非线性梁模型准确捕捉系泊缆绳的弯曲、拉伸和扭转载荷。该模型经实验与数值数据验证，在规则波条件下对四根系泊的浮箱动力学响应表现出良好预测能力，为极端海况下系泊系统分析提供了重要工具。

　　

随着海洋资源开发向深海迈进，浮式海洋结构物的安全运行面临严峻挑战。系泊系统作为连接浮体与海底的关键部件，其动态特性直接影响结构物的运动响应和系泊载荷。传统系泊分析模型多采用集中质量法或有限元方法，这些方法在模拟大变形、非线性载荷工况时存在局限性，特别是对弯曲刚度、扭转效应等复杂力学行为的捕捉不够精确。

在此背景下，都柏林大学机械与材料工程学院的研究团队在《Applied Ocean Research》上发表了一项创新研究，提出了一种基于有限体积法的几何精确Simo-Reissner梁模型，为系泊线动力学分析提供了新的解决方案。该研究旨在解决传统方法在模拟系泊线复杂变形行为时的不足，通过将先进的梁理论与计算流体动力学(CFD)相结合，实现对浮体-系泊系统全耦合作用的精确模拟。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先是基于有限体积法的几何精确Simo-Reissner梁理论，该理论能够准确描述大变形条件下的梁力学行为；其次是多相流模拟技术，采用VOF(Volume of Fluid)方法捕捉自由液面动力学；第三是六自由度刚体运动求解器，用于计算浮体的运动响应；最后是改进的网格变形技术，确保在较大运动幅度下仍能保持网格质量。研究还建立了包含1个浮箱和4根系泊线的实验验证系统，通过对比实验测量数据验证模型的准确性。

2.1 自由表面流动

研究采用RANS方程结合VOF方法模拟气水两相系统。控制方程包括连续性方程和动量守恒方程，其中引入混合密度和混合粘度的概念来处理两相流。通过MULES算法减少界面扩散，确保自由液面捕捉的准确性。

2.2 系泊模型

系泊线采用几何精确Simo-Reissner梁模型描述，控制方程包括线动量和角动量守恒。外部载荷考虑拖曳力、附加质量力、浮力和海底接触力，其中拖曳力基于Morison方程计算。模型还包含了海底接触的弹簧-阻尼模型和库仑摩擦模型，真实模拟系泊线与海床的相互作用。

2.3 刚体运动动力学

浮体运动通过牛顿第二定律求解，考虑流体动力、静水力、重力、系泊力等外部载荷。运动方程在质心坐标系下求解，确保平移和旋转运动的耦合计算准确性。

2.4 网格变形方法

采用改进的网格变形技术，通过定义内外变形区域，实现刚体运动引起的网格平滑变形。该方法有效避免了传统方法在大旋转运动时出现的网格畸变问题。

2.5 耦合策略

通过PIMPLE算法实现各物理场之间的耦合求解。在每个时间步内，依次求解梁方程、刚体运动方程、自由液面输运方程和速度-压力耦合方程，确保耦合系统的数值稳定性和计算精度。

3.1 实验设置

验证实验基于欧洲MaRINET2-EsflOWC项目，在长30米、宽1米、高1.2米的波浪水槽中进行。浮箱尺寸为0.2米×0.2米×0.132米，质量3.16千克，通过四根对称布置的悬链线系泊。实验测量了浮体运动、系泊张力和波面高程等参数。

3.2 数值模型

数值模拟采用缩短的计算域以提高计算效率，网格总数约580万六面体单元。系泊线离散为60个单元，轴向刚度设为19N，拖曳力系数和附加质量系数基于文献值设定。通过单独的梁模拟初始化系泊线形态，确保初始预应力与实验一致。

3.3 浮箱运动

对比结果显示，数值模型在浮箱的纵荡、垂荡和纵摇运动预测方面与实验数据吻合良好。在H12T20工况下，纵荡振幅误差为9.09%，垂荡为3%，纵摇为2.55%；在H15T18工况下，相应误差分别为8.6%、6.49%和4.32%，表明模型能够准确捕捉浮体运动响应。

3.4 系泊线张力

系泊线张力预测与实验数据趋势一致，向浪侧缆绳张力大于背浪侧。在H12T20工况下，Line 1张力误差为3.18%，Line 3为7.43%；在H15T18工况下，相应误差分别为23.62%和25.25%。敏感性分析表明，轴向刚度对张力预测有显著影响，最优刚度值为19N。

该研究通过建立统一的有限体积计算框架，成功实现了系泊浮体系统的全耦合数值模拟。相比传统方法，基于Simo-Reissner梁理论的系泊模型能够更精确地描述缆绳的弯曲、剪切和扭转行为，为海洋工程系泊系统设计提供了可靠的数值分析工具。研究成果对深海浮式结构物的安全设计和运行评估具有重要意义，特别是在极端海况下的动力响应预测方面展现出明显优势。未来的研究可进一步考虑更复杂的海洋环境条件和系泊系统配置，拓展模型的应用范围。