海洋工程

  • 不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

    于定勇;康骁;赵建豪;

    为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R~+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R~+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R~+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。

    2021年01期 v.39 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 5936K]
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  • 新型直立式透空堤消浪性能数值研究

    杜沛霖;孙昭晨;梁书秀;

    为使防波堤同时具有良好的掩护效果和水体交换能力,提出了两种带有透浪通道的新型直立式防波堤。基于Fluent求解器建立了三维数值波浪水槽,通过与试验结果对比,验证了该数值水槽求解波浪与透空堤作用具有较高的精度。对两种防波堤在规则波作用下的透浪特性进行了研究,结果表明:透射系数K_t与透空率呈正线性相关,且可通过调整透浪通道间距,使相同透空率下K_t降低20%~30%。对同一结构,K_t随相对波长的增大而显著增大,但受相对波高的影响较小。在透空率大于0.16后,异型沉箱防波堤的消浪性能明显优于错位沉箱。基于数值计算结果,给出了以上两种透空堤波浪透射系数的经验公式。

    2021年01期 v.39 12-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 2785K]
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  • 波浪作用下锚链系泊浮式防波堤动力响应的数值模型研究

    金哲飞;张金凤;张庆河;蔡威;季超群;

    浮式防波堤充分利用波能在水深方向的分布特性,在满足工程消浪要求的同时对海域水沙交换影响较小,且能够快速布置,在某些实际工程有一定应用前景。为了深入了解波浪作用下浮式防波堤的动力响应,基于OpenFOAM标准求解器olaFlow,在刚体运动求解计算中植入锚链求解模块MOODY(mooring cable dynamics),实现了基于重叠网格方法的浮体运动与锚链受力耦合求解,建立了锚链系泊浮式防波堤动力响应的二维数值模型。利用该数值模型对锚链系泊单方箱浮式防波堤在波浪作用下的透射系数、运动响应、锚链张力进行了模拟,并和相关试验结果进行了比较。结果表明,模型能够准确模拟二维波浪和浮式防波堤的相互作用,并用于三维模型的改进。

    2021年01期 v.39 21-31页 [查看摘要][在线阅读][下载 2998K]
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  • 聚焦波浪在浅堤上传播变形高精度数值模拟研究

    易振宇;蒋昌波;屈科;邓斌;陈杰;

    基于开源程序REEF3D,通过建立高精度二维数值波浪水槽,系统研究了聚焦波浪在浅堤上传播变形的规律,着重分析了聚焦波浪通过浅堤的水动力过程及能量变化规律,讨论了不同波浪要素对聚焦波浪传播特性的影响。除此之外,还考虑了双浅堤布置对聚焦波浪传播变形的影响。研究结果表明:极端波浪通过浅堤时,堤顶水深越小,波浪主频能量衰减越显著。在给定堤顶水深条件下,聚焦点与浅堤的相对位置对聚焦波浪能量的衰减影响较小。在双浅堤布置条件下,随着浅堤间距的增加,上下游浅堤的相互影响逐渐减弱,高频段的波浪能量也随之减小。

    2021年01期 v.39 32-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 2601K]
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  • 立柱直径比对四立柱平台涡激运动性能影响的数值研究

    陈元鑫;寇雨丰;林志良;刘明月;

    与单立柱平台(Spar)类似,四立柱平台在洋流作用下也容易发生涡激运动,对锚泊和立管系统的疲劳寿命产生不利影响。一种非对称半潜式平台具有两种不同尺寸的立柱,立柱直径比对非对称平台涡激运动性能的影响尚需深入研究。采用计算流体力学(CFD)方法,对直径比分别为1.0、1.5和2.0的立柱组合在两种不同角度水流作用下的运动响应进行了二维数值模拟,分析发现:立柱直径比不为1时四立柱平台也具有明显的涡激运动,其横荡运动具有显著的锁定现象;在广义折合速度定义下,与相同直径的四立柱平台相比,立柱直径比不为1时其横荡运动锁定区间变宽且滞后,横荡响应幅值的峰值具有明显差异;在所研究的直径比范围内,大直径立柱在上游时涡激运动响应比其在下游时更显著,且这种差异随着直径比变大而变大。

    2021年01期 v.39 43-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 3263K]
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  • 陵水17-2气田深水钢悬链立管强度敏感性分析研究

    侯静;杨伟;任翠青;李旭;

    陵水17-2气田是国内首个采用钢悬链立管的深水气田。以该气田钢悬链立管(SCR)为例,结合国外经验确定了影响强度的主要因素,利用FLEXCOM软件建立了强度分析模型并进行了敏感性分析。通过对比分析,得到以下结论:管线重量公差较其他因素对立管强度有着更明显的影响,管线重量的正负公差分别对立管触地区和悬挂区强度影响较大,其中等效应力最大增加了13.5%;内部压力的变化对重质管线强度影响较轻质管线明显;柔性节点刚度对立管强度的影响主要集中在悬挂区;立管安装误差对悬挂区和触地区等效应力影响为6.5%~9.5%。为陵水17-2气田及其他类似工程提供参考和借鉴。

    2021年01期 v.39 53-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 1715K]
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  • 软悬挂状态下隔水管动力特性分析

    毛良杰;曾松;刘清友;

    建立了软悬挂状态下隔水管动力分析模型,采用有限单元法对模型进行离散,结合Newmark-β法对动态方程求解,并对模型进行验证,最后选取南海某口深水井实际参数,对软悬挂状态下隔水管动力特性进行分析。研究结果表明:软悬挂状态下隔水管底端横向位移最大,顶部铰接处弯矩最大。软悬挂状态下,隔水管横向位移与弯矩随着海底隔水管总成(LMRP)重量增加而减小,随着平台运动速度、平台航向与海流方向夹角增大而增大;回收隔水管减小悬挂长度有利于减小最大横向位移,但会造成弯矩轻微增加;采用旋转刚度适当较大的挠性接头则有利于减小隔水管挠性接头以下整体位移与弯矩。研究成果为钻井平台避台撤离时隔水管的安全提供理论指导。

    2021年01期 v.39 62-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 2130K]
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  • 深海采矿系统长距离垂直输运管道力学性能研究

    陈智昊;吕海宁;吴琪;

    深海采矿系统中的长距离垂直输运管道在工作中具有复杂的流固耦合力学特性,在生产作业中其结构安全性和可靠性面临严峻考验。建立深海采矿系统从海底到水面的完整模型,采用集中质量法对于其中的长距离垂直输运管道的环境载荷进行了研究,并将计算结果与模型试验测量值进行对比验证,重点分析管道顶部轴向张力和剪力的大小关系以及变化规律。分析结果表明:在深海采矿系统的长距离垂直输运管道中,轴向张力在结构载荷占主要成分,由波浪引起的结构轴向张力增加会达到管体自重的38%~48%。因此,选择合适的作业工况对降低结构载荷,加强结构安全性能有很大帮助。

    2021年01期 v.39 72-82页 [查看摘要][在线阅读][下载 3259K]
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  • 块状冰对螺旋桨水动力性能的影响

    杨建;董小倩;杨晨俊;

    基于重叠网格模型,通过非定常RANS数值模拟与结果分析,研究了块状冰的尺寸、轴向运动和冰桨位置对螺旋桨水动力性能的影响。选用切割体网格绘制整体静止计算域的背景网格,之后结合棱柱层网格绘制螺旋桨子计算域和冰块子计算域的重叠网格,不同的计算域之间通过两者的重叠区域进行数据传递和插值。计算结果显示,当冰块固定在桨前时,螺旋桨产生的非定常推力和扭矩均以叶频为基频进行周期性变化,而且两者的时间平均值和振幅主要受冰块在螺旋桨盘面内的轴向投影面积、冰桨轴向位置和冰桨水平位置的影响;当冰块在桨前沿轴向匀速靠近螺旋桨时,冰桨轴向距离逐渐变小,冰桨周向相对位置发生周期性的变化,使得推力和扭矩两者均以叶频振荡,而且两者的时间平均值和振幅均随着冰桨轴向距离减小而增加。

    2021年01期 v.39 83-90页 [查看摘要][在线阅读][下载 2803K]
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  • 面向ARV的视觉辅助水下对接方法研究

    魏志祥;吴超;

    针对水下机器人作业过程中的近距离引导水下对接问题,以自治缆控水下机器人(ARV)为研究对象,为实现快速、高精度的水下对接,设计了基于反射光源识别的单目视觉辅助水下对接方法。通过在对接口布置反光带并将其作为目标图像,设计了图像处理和特征点提取的算法,经过图像特征信息的分析处理,优化算法的时间复杂度,提高了特征点提取的准确率和识别效率。最后设计了传统的引导灯方案与反光带方案的对比试验,验证算法的可行性,证明在水下环境下识别反射光源的方法极大提升了位置估计的准确率,同时在计算速度上也有显著提高,弥补了传统水下对接方法中精度不足或计算量大的缺陷,更好地满足了ARV水下对接的需求,能为潜水器实现水下自主对接提供参考依据。

    2021年01期 v.39 91-99+152页 [查看摘要][在线阅读][下载 1970K]
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  • 海上风电单桩基础-土相互作用特性影响因素分析

    孔德森;刘一;邓美旭;侯迪;

    采用有限元软件ABAQUS建立了海上风电单桩基础与土相互作用数值计算模型,将波浪、洋流及风荷载等效成双向对称循环荷载,研究了水平循环荷载作用下不同因素对桩身水平位移、剪力和弯矩的影响规律。研究表明,随着循环荷载比的增加,桩身位移零点和桩身剪力反弯点沿埋深逐渐下移,桩身弯矩最大值点位于浅层土体;不同荷载频率时桩身位移在零点以上变化较大,桩身弯矩随着频率的增加逐渐增大;单向循环荷载作用下桩身位移最大,双向对称循环荷载作用下桩身位移最小;壁厚较小时对桩身水平位移影响较大;在位移零点之上范围内可以考虑设计"上厚下薄"的钢管桩,以减小桩身水平位移;不同桩壁厚时桩身剪力曲线在埋深约6D处出现交点,且泥面处桩身弯矩变化不明显。

    2021年01期 v.39 100-111页 [查看摘要][在线阅读][下载 2740K]
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  • 弱超固结黏土中桩靴贯入形成孔洞对承载力影响

    陈洋彬;郑敬宾;王栋;

    自升式平台作业前需对桩靴基础进行预压安装,使桩靴具备抵抗竖向-水平-弯矩复合荷载的能力。安装过程中,桩靴上部将形成一定深度的孔洞。弱超固结黏土地基中,土体强度较高,桩靴最终贯入深度较浅,而形成的上部孔洞较深,因此孔洞将对桩靴就位后的承载力产生影响。通过有限元分析,研究弱超固结黏土中桩靴上部孔洞对承载力的影响,结果表明:1)与无孔洞的情况相比,孔洞的存在对桩靴的单向和复合承载力有削弱作用; 2)当桩靴与孔洞底部距离大于桩靴直径时,承载力不再受上部孔洞的影响; 3)当桩靴埋深小于等于0.75倍桩靴直径时,无论桩靴上部有无孔洞,现有预测公式都不能较为合理地预测弱超固结黏土地基的复合承载力,为此提出了考虑孔洞影响的桩靴复合承载力包络面预测公式。

    2021年01期 v.39 112-120+170页 [查看摘要][在线阅读][下载 3129K]
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  • 江苏海岸辐射沙洲地层中大直径钢管桩基础承载性能试验研究

    吴荣辉;叶锦峰;骆光杰;沈晓雷;张强;

    江苏海岸辐射沙洲是江苏重要的海上风电规划区域,该海域的地层资料和试桩资料极为缺乏。通过钢管桩的现场静荷载试验,对江苏海岸辐射沙洲地层中大直径钢管桩基础承载性能进行研究,以揭示各地层的主要承载性能参数。试桩结果表明,江苏海岸辐射沙洲地层中钢管桩实际的轴向极限承载力明显小于高应变动测结果,只有高应变动测结果的79.09%。总侧摩擦阻力占总承载力的95.61%,而桩端阻力只占总承载力的4.39%。桩内土对管壁的侧摩阻力作用很小,主要是桩外土对管壁的侧摩阻力在发挥作用。辐射沙洲地层中粉土夹粉质黏土的承载性能一般,不适应作为钢管桩的持力层。轴向抗压静载试验得到的极限侧摩阻力高于静力触探的测试结果和API法的计算值。浅部砂层实际的极限水平土体抗力高于API法计算值,在水平荷载作用下上部砂层的p-y曲线具有明显软化效应,土体的软化效应在设计时需进行考虑。

    2021年01期 v.39 121-132页 [查看摘要][在线阅读][下载 3529K]
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  • 基于基因表达式编程算法的波浪透射预测

    刘涛;冯曦;冯卫兵;张宸豪;陆杨;

    准确预测波浪透射对于维护港内水域平稳、保障港内船舶稳定具有重要意义。基于567组透浪试验数据,采用基因表达式编程(gene expression programming,简称GEP)算法预测波浪透射。主要研究内容包括:确定GEP算法的最优输入变量组合;建立透浪系数与最优组合变量的定量关系;探究GEP算法的预测精度随训练组数变化的规律;并对输入变量进行了敏感性分析。研究结果表明,GEP算法的最优输入变量组合为深水波陡、相对堤宽和相对水深;训练组数较少时,GEP算法的预测精度不高,当训练组数提高至300组,预测的精度已经达到较高水平,且精度随着训练组数的继续增加提高不大; GEP算法的预测精度远远高于前人的经验公式;相较于相对堤宽和相对水深,深水波陡对波浪透射影响更为显著。本研究表明,GEP算法可作为一种新的方法研究波浪透射,为后续研究与应用提供参照。

    2021年01期 v.39 133-141页 [查看摘要][在线阅读][下载 2004K]
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  • 不规则波激励下磁力双稳态波浪能转换装置的能量捕获特性研究

    席儒;张海成;陆晔;徐道临;吴博;

    该研究提出了一种新型磁力双稳态机构,主要由一对同向充磁的负刚度磁环,附加一对异向充磁的正刚度磁环组成,可通过调整磁环参数有效改变双稳态装置的势垒高度,从而克服传统型双稳态装置在小幅波浪激励下转换效率低的难题。基于Cummins方程建立了系统的时域非线性动力学模型,其中采用状态空间模型替代了辐射力的卷积积分项用于加快计算速度。采用四阶龙格库塔方法求解动力学方程,获得系统响应解。采用Jonswap波浪谱,研究了不规则波激励下波浪能转换装置的转换效率随双稳态结构参数以及波浪激励参数的变化规律。结果表明,新型磁力双稳态机构在合适参数下可以达到降低势垒高度和拓宽平衡点间距的效果,从而显著提高波能捕获效率,拓宽波能捕获频带,尤其是大幅提高了系统在小波高激励下的捕获宽度。

    2021年01期 v.39 142-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 1702K]
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  • 海洋绞车主动升沉补偿控制系统建模与仿真分析

    谢天财;黄良沛;邹东升;陈磊;刘德顺;

    针对海洋绞车主动升沉补偿系统的控制要求,通过对主动升沉补偿系统的控制机理进行分析,于Simulink软件中搭建海洋绞车主动升沉补偿控制系统的仿真模型。根据负载所处不同海况,设置相应仿真参数,得出负载在不同海况下主动升沉补偿控制系统的补偿特性,绘制了负载在升沉补偿作用下的位移响应曲线及补偿时电机转速响应曲线,并与无升沉补偿作用下的仿真结果进行对比。仿真结果表明,该主动升沉补偿控制系统具备理想的补偿精度。将主动升沉补偿控制系统应用于海洋绞车进行模拟试验,得到了电驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统在四级模拟海况下的试验数据。试验结果表明该主动升沉补偿控制系统满足补偿能力设计要求。研究可为海洋绞车主动升沉补偿控制系统补偿性能的改进与完善提供参考。

    2021年01期 v.39 153-161页 [查看摘要][在线阅读][下载 1945K]
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  • 基于Savitsky法滑行艇航行姿态参数影响研究

    朱云翔;

    高速滑行艇处于滑行状态时的阻力性能一直是滑行艇水动力性能研究的重点和难点。首先采用半经验半理论的Savitsky法对棱柱形滑行艇的航行姿态与阻力进行研究分析,计算纵倾结果与试验结果吻合良好。然后改变滑行艇的长宽比、重心纵向位置与底部斜升角参数,进一步研究三种参数变化对滑行艇航行姿态与阻力性能的影响。研究结果表明:基于半经验半理论的Savitsky方法可用于棱柱形滑行艇的阻力性能分析;在高速阶段,长宽比、重心纵向位置与底部斜升角参数对阻力影响较大。

    2021年01期 v.39 162-170页 [查看摘要][在线阅读][下载 2288K]
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