海洋动力学 -海洋生态系统动力学与模型pdf

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作者：高巍，仿真秀科普作者

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一、写在前面

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20世纪60年代欧洲北海发现了储量丰富的油气资源，随着1973年第二次石油危机的到来，欧洲国家能源自主的迫切需要推进了北海油气资源的开发进程，推动了海洋工程技术发展。

为了应对日益增长的海洋工程业务需求，英国的WS Atkins（阿特金斯集团）在1975年开发了AQWA（Advanced Quantitative Wave Analysis）软件。AQWA软件主要解决北海油气开发，乃至范围更广的世界海洋油气开发中浮体设计分析，如航行、安装、作业、定位等方面所面临的技术难题。

20世纪80年代，逐渐发展成熟的AQWA软件推向市场，成为第一款商业化的海洋工程浮体分析软件。AQWA软件在发展过程中功能不断丰富，逐渐成为一款深受业界认可的浮体分析软件。

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2001年AQWA软件的运营权转交给Century Dynamics Ltd.。

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2005年ANSYS集团收购Century Dynamic。

2008年发布的AQWA V5.7d是Century Dynamic独立开发的最后一个AQWA版本。

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2009年，ANSYS推出的ANSYS 12.0首次将AQWA作为其重要的计算模块推向市场。随着版本不断更新，AQWA与ANSYS Workbench系统的整合程度不断提高，其界面、计算功能、计算效率都有了较大提升。

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当前，AQWA软件已经成为大学、研究机构、海洋工程设计公司的重要分析工具之一。相信随着开发力度和推广力度的不断增强，AQWA在海洋工程分析软件领域将扮演更加重要的角色，将更专业、更广泛的服务于海洋工程行业。

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二、AQWA软件理论基础与主要功能

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AQWA软件主要解决浮体在环境载荷作用下的运动响应、系泊定位、海上安装作业、船舶航行以及波浪载荷传递等方面的问题。

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其理论基础主要有：

船舶静力学：解决浮体静水/非静水状态下的水刚度问题刚体动力学：解决浮体在环境载荷影响下的运动响应问题三维势流辐射-绕射理论：解决相对于波浪不可忽略的浮体所受波浪载荷情况，解法为面源法Morrison方程：解决小直径波长比状态下杆件在波浪中的受力问题缆索动力学：解决浮体系泊状态下缆绳动力响应问题

AQWA功能强大，能够解决海洋工程浮体分析领域的大多数问题，其能够实现的计算功能如下图所示。

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图1.1 AQWA能够实现的计算功能

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AQWA的频域水动力分析可以求解浮式结构物静水刚度、附加质量、辐射阻尼、一阶波浪力（包括绕射力）、二阶定常波浪载荷。在求解二阶差频、和频载荷中可以考虑二阶速度势的影响。

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AQWA能够分析有航速情况下船舶的波浪运动响应、固定结构物的波浪载荷、多体耦合水动力计算等多种复杂水动力问题。另外，AQWA具备不规则频率去除功能和驻波抑制功能，能够提高复杂水动力分析结果的精度。AQWA可以将作用在船体上的波浪速度势、压力以及波面升高等数据输出，用于结构分析和耐波性分析。

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AQWA的时域分析分为两种。基于平均湿表面的时域求解可以分析浮式结构在风、流、一阶波浪载荷和二阶波浪载荷作用下的运动响应及连接部件的响应状态。基于非线性瞬时湿表面时域分析可以考虑浮体瞬时湿表面变化的影响。

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AQWA可以建立系泊缆、铰、护舷、绞车、滑轮、张力腱等多种连接部件，能够进行复杂的系泊分析与安装分析计算。

AQWA具有外部程序接口，用户可以通过编程实现自定义计算。

AQWA软件包主要包括九个模块（程序），模块名称及对应功能分别为：

Line 频域水动力求解模块Librium 静平衡计算模块Fer 频域分析模块Drift 平均湿表面时域计算模块Naut 瞬时湿表面时域计算模块Ags 后处理模块Wave 波浪载荷转换程序Flow 流场数据读取程序Aql AQWA与Excel的接口程序

经典ANSYS、Ags部分功能是经典AQWA的前处理程序。Line、Fer、Librium、Drift、Naut是AQWA的核心计算模块。Wave、Flow、Ags以及Aql是AQWA的后处理程序。

图1.2 AQWA主要模块关系

三、AQWA软件的运行界面

经典AQWA软件的计算运行界面比较简单。双击AQWA图标后要找到*.dat模型文件来进行运行计算。软件运行过程中会有进度条提示框。当显示100%时表明计算完成。

经典AQWA计算结果后处理通过AGS模块进行，打开AGS可以通过PLOT查看模型，通过Graphs查看计算结果，进行数据处理和数据输出。

图1.3 经典AQWA打开界面

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图1.4 经典AQWA后处理界面

AQWA Workbench通过拖拽“Hydrodynamic Diffraction”模块完成水动力计算模型、尽心参数设置，完成水动力计算；通过拖拽“Hydrodynamic Time Response”进行时域分析。分析流程按照Geometry--->Model--->Setup--->Solution--->Results的顺序进行，整个界面相比于经典界面更美观、简洁，较为适合初学者使用。

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图1.5 AQWA Workbench界面

四、AQWA软件的前处理

AQWA的水动力计算模型可以通过第三方软件，如ANSYS、Workbench DM或者其他建模工具实现；船舶类模型可以使用其内置的AGS-Line Plan模块通过描绘船体型线来建立，如图1.5所示。系泊缆、护舷、铰、张力腱等连接件的建模可以通过修改模型文件或者通过Workbench来实现。

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图1.6 AQWA AGS Line Plan建立水动力计算模型

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图1.7 通过经典ANSYS和Workbench建立AQWA水动力计算模型

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五、AQWA软件的后处理

AQWA软件的后处理功能十分强大。经典AQWA的AGS模块可以实现浮体水动力计算结果和时域计算结果的曲线显示和数据输出。时域计算结果可以通过AGS自带的数据处理功能实现诸如高低频分离、响应谱转化、概率分布拟合（瑞利分布和威布尔分布）等一系列功能。AGS可以输出浮体运动、波浪压力变化、波面扰动等方面的仿真动画。

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Workbench可以实现AGS的大多数功能，其计算数据可以直接以报告格式输出。Workbench界面美观，其输出的图表非常精美，无需处理可以直接使用，非常方便。

图1.8 AQWA AGS模型显示

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图1.9 AQWA AGS压力分布显示

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图1.10 AQWA AGS的计算结果曲线

图1.11 AQWA Workbench的波面显示

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图1.12 AQWA Workbench的结果曲线显示

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AQWA开发了Excel接口AQL（AQWA Interface for Excel），AQL具有浮体重心坐标输出、 RAO数据输出、时域计算结果输出等命令功能，通过Excel-VBA的编程可以实现大量数据的批量处理，提高工作效率。

相比于VBA，通过使用C#等编程软件直接读取AQWA的二进制水动力计算文件进行数据处理的效率更高。对于经常使用AQWA进行浮体分析的工程人员可以综合考虑通过AQL-VBA或者C#等编程软件来提高数据处理和分析能力。

图1.13 AQL与Excel VBA开发的数据处理程序

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六、AQWA软件的局限性

AQWA自商业化以来经历了30年的考验，其多样化的能力和良好计算精度得到了广泛的认可，但同时AQWA也存在自身的局限性：

1、AQWA没有舱室的概念，不能进行自由液面修正，无法解决诸如液舱晃荡此类水动力分析问题；

2、只有小倾角稳性计算功能，不能进行稳性规范校核，限制了其在安装领域的应用范围；

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3、二阶波浪载荷求解方法古老，没有控制面的概念，使得其二阶和频、差频载荷的计算精度严重依赖模型网格划分情况，对于初学者而言计算结果的精度难以控制；

4、批量数据后处理功能较弱，需要用户自行编程或者通过接口进行二次开发

5、对于网格大小、数目限制严格，对于一些特定问题（诸如TLP的水动力计算）适应性较差；

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6、多体分析的能力有限，复杂的多体耦合分析计算精度不高。

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尽管如此，AQWA能够完全胜任大多数工程领域的分析要去，不失为一款非常优秀的海洋工程浮体分析软件。

作者：高巍，仿真秀科普作者

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