海洋工程

  • 完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

    苏高飞;勾莹;滕斌;

    为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法(BEM)对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi(IGN)方程并采用有限元法(FEM)对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。

    2023年03期 v.41 1-13页 [查看摘要][在线阅读][下载 1603K]
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  • 基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

    宋梦杰;任浩杰;张晓灵;杨加栋;付世晓;张萌萌;许玉旺;

    海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动(vortex-induced vibration,简称VIV),发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明:基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。

    2023年03期 v.41 14-26页 [查看摘要][在线阅读][下载 1638K]
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  • 海冰与直立结构相互作用的破坏模式研究

    付仰华;王国军;黄亚婷;彭鑫;董睿;张大勇;

    海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法(DEM)模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比(结构宽度与海冰厚度的比值)工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明:当宽厚比<10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比<30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。

    2023年03期 v.41 27-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 1363K]
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  • 浮筒辅助大型导管架结构整体拆除上浮过程动力响应特征研究

    吕泽宇;车巨鹏;王树青;宋宪仓;

    浮筒辅助大型导管架结构整体拆除作业是一个连续过程,作业过程中拆除系统的动力荷载及动力参数均会发生显著变化,传统基于某一稳定状态的结构动力响应分析方法不能准确预测拆除系统上浮过程中的动力响应。通过建立浮筒辅助大型导管架结构整体拆除上浮过程动态分析模型,对拆除系统上浮过程的动力响应特性进行研究。结果表明,整体拆除动态分析模型可以准确描述拆除系统上浮过程中浮筒及导管架浮力变化对上浮高度的影响机制,拆除系统上浮高度约为不考虑浮筒和导管架浮力变化时的90%。此外,浮筒辅助大型导管架整体拆除方法的动态稳定性较强,四级海况下拆除系统的最大偏移量仅为4.2 m,有较好的工程应用前景。

    2023年03期 v.41 37-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 1541K]
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  • 基于实测数据的海上风电结构动力响应分析

    王振双;徐明强;彭潜;

    地震是危害海上风电结构作业安全的重要环境因素,目前,国内尚未公开发表真实地震响应下,海上风电结构的实测动力响应数据。分析了某地震活动区海上风电结构的实测地震响应,采用随机子空间识别方法进行风机的模态识别,阐述了风机机舱偏航将引起前后、左右两个正交方向振动的耦合,并从理论上证明了利用耦合、解耦数据识别模态参数的差异。结果表明:1)耦合与解耦信号识别的频率、阻尼比完全相同,而耦合信号识别的模态振型与偏航角有关;2)地震作用会对结构产生巨大冲击;3)非地震作用下,风机塔筒前后、左右第一阶弯曲模态为主要模态,地震作用可以激发风机的高阶模态,使得塔筒中上部而不是顶部的振动响应最大。此分析对地震活动区海上风电结构的抗震设计具有一定的参考价值。

    2023年03期 v.41 48-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 1253K]
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  • 基于实测资料的畸形波概率及波浪要素分析

    蔡丽;赵建春;向容瑶;孙昭晨;梁炳贤;

    根据Kjeldsen对畸形波的定义:波高大于有效波高的2倍(H/H1/3>2),基于实测波浪资料,统计分析了江苏射阳海域和广东南澳海域的畸形波个数和波浪要素。江苏射阳海域畸形波发生概率为0.005 7%,广东南澳海域畸形波发生概率为0.007%。用Rayleigh分布、双参数Weibull分布和MER分布对实测数据得到的特征波高进行了拟合,研究了海域内畸形波发生的概率分布。拟合结果表明:MER分布更适合描述两个海域畸形波的发生概率,两个海域畸形波的发生概率均高于Rayleigh分布和Weibull分布。在测量数据期间,台风在海域过境可能增加畸形波的发生概率;同时两个海域的双峰谱占比为22.7%和5.8%,可能也是导致畸形波发生概率增加的原因之一。

    2023年03期 v.41 56-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 1518K]
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  • 双层环境中圆桩柱对斜坡异重流动力特性影响的试验研究

    叶漪琦;韩东睿;林颖典;

    利用开闸式异重流水槽试验,结合高速相机和粒子图像测速技术,量化不同强度双层环境中圆桩柱对斜坡异重流传播模式、速度与涡度场、波流作用等宏微观特性的影响。试验结果表明:在低理查森数Ri_ρ环境中,圆桩柱的存在抑制了异重流混合层厚度的增加,但延展了其在流向的长度;在高理查森数Ri_ρ环境中,圆桩柱打破了侵入流在密度跃层处对称的传播模式,并促进了异重流与环境流体的剪切过程。当内波弗劳德数Fr> 1时,产生锁定波,异重流头部出现强漩涡,在密度跃层产生有利压力梯度使内波尺寸增大;当内波弗劳德数Fr <1时,振荡产生发射波,波谷与异重流头部相互作用而使波形变平整;当内波弗劳德数Fr≈1时,锁定波和发射波并存。在低理查森数Ri_ρ环境中,圆桩柱的存在导致波流耦合作用减弱,而在高理查森数Ri_ρ环境,波流耦合作用反而增强。

    2023年03期 v.41 65-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 1333K]
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  • 护滩软体排对潮滩碱蓬湿地修复的影响研究——以江苏条子泥为例

    张刚;周曾;陈杰峰;徐晓;曹浩冰;左利钦;潘毅;张长宽;

    河口海岸潮滩湿地具有重要的生态服务功能,是近年来国家海岸带保护修复重大工程的重点关注区域。江苏条子泥潮滩湿地是中国黄(渤)海候鸟栖息地(第一期)的重要组成部分,面临着潮滩湿地保护修复和海堤工程维护的统筹协调等问题。护岸工程软体排是河口海岸工程常用的维护措施,但其对潮滩湿地保护和修复的影响尚不清楚。通过野外调查、碱蓬移栽和播种试验,分析了护滩软体排工程临近区域的高程、水动力、沉积物等环境参数对盐地碱蓬(Suaeda salsa)湿地修复的影响。结果表明:1)软体排对潮滩地貌影响明显,软体排内滩面稳定,软体排外亦有掩护效果,两月内促进盐沼植被区高程增量达29 cm,软体排外光滩高程变化剧烈;软体排建造后,海堤附近滩面地形有助于碱蓬植被定植,形成的高滩上移栽碱蓬存活率达55%,而在低处潮滩无法存活。2)碱蓬植被密度和株高受到盐度、高程、中值粒径环境因子的显著影响(P<0.05,P为显著性水平),高程与碱蓬植被密度、株高正相关;盐度和中值粒径与碱蓬植被密度负相关;流速与碱蓬植被密度负相关;有效波高与碱蓬株高负相关。研究结果可为潮滩软体排护滩工程的实施、碱蓬盐沼植被定植机理和生态修复提供科学参考。

    2023年03期 v.41 74-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 1370K]
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  • 极端循环载荷下船体裂纹箱型梁的极限强度

    胡康;杨平;刘清超;

    旨在了解箱型梁在极端循环载荷下的极限强度特性。利用非线性有限元方法来研究裂纹箱型梁的极限弯矩,分析了5种裂纹模型,探讨了裂纹类型、裂纹位置和裂纹长度的影响。考虑了两种载荷形式应用生死单元法对双向循环弯曲下裂纹扩展进行了模拟;并将由循环载荷引起的累积塑性损伤和疲劳裂纹损伤均考虑在内。无论单向循环还是双向循环,单裂纹模型的极限弯矩均小于双裂纹模型的极限弯矩;单边裂纹是最危险的裂纹类型。进一步分析了极端循环载荷下裂纹箱型梁的极限强度折减机理,得出了极限强度折减归因于这两种损伤的耦合作用的结论,并通过其他箱型梁验证了其适用性。

    2023年03期 v.41 85-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 2577K]
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  • 极地吊舱推进船舶回转性能的离散元分析

    邓恺其;王祥;季顺迎;

    吊舱推进装置在极地船舶中被广泛应用,其转舵模块可以带动螺旋桨摆动从而产生任意方向的推进力,使船舶操纵更为灵活。提出了一种吊舱推进船舶冰区操纵的离散元方法,对具有吊舱推进装置的冰区船舶破冰过程进行了数值模拟。以“雪龙2”号破冰船为研究对象,计算分析了船舶定速直航时的冰阻力,并通过与Lindqvist经验公式的对比验证了冰阻力计算的合理性。在此基础上进一步对船舶在不同冰厚、不同吊舱转向角下的回转破冰运动进行了离散元模拟,分析了回转半径与船长比值随冰厚的变化规律。计算结果表明:船舶的回转性能随冰厚的增大而降低,并随吊舱转向角的增大而显著提高。

    2023年03期 v.41 96-109页 [查看摘要][在线阅读][下载 1699K]
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  • 海底矿石软管中水力输送数值模拟研究

    盖康雨;刘磊;

    海底矿石在软管中的水力输送是深海采矿的重要过程。采用计算流体动力学—离散元耦合的计算方法(CFD-DEM),对矿石颗粒在软管中的输送进行数值模拟,重点关注矿石颗粒的运动、分布规律以及管壁受到的颗粒作用力,分析输送速度和输送浓度(入射颗粒的体积分数)对输送过程的影响规律,探索管道中易发生堵塞、易受颗粒磨损的区域。结果表明,软管中颗粒的动力学特性与管道倾角、输送速度和输送浓度有关。颗粒主要沿管道截面底部推移,倾角较大的上升段出现处于悬移状态的颗粒;管道横截面内颗粒运动速度从上至下递减,截面中心处颗粒的速度接近输送速度。输送过程中颗粒的局部浓度(该区域颗粒与固液两相流的体积比)始终大于输送浓度,局部平均速度始终小于输送速度。上升段颗粒体积分数大于下降段,颗粒速度小于下降段。管道拱顶和谷底位置管壁所受颗粒作用力最明显,管壁最可能受颗粒磨损。

    2023年03期 v.41 110-122页 [查看摘要][在线阅读][下载 2441K]
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  • 深海多金属结核水力集矿头流场结构数值模拟研究

    刘杰;许栋;及春宁;夏建新;冉启华;

    深海蕴藏着丰富的多金属结核资源,受海水深度等限制,结核采集目前仍存在巨大挑战。水力式采矿具有结构简单、可靠性高的优势,是目前最具发展前景的采集方式之一。水力式采矿通过水流动力进行结核采集,喷射形成的复杂流场结构直接影响海床上结核颗粒剥离、起动、采集效率和海洋环境扰动强度,采集器离地高度、喷嘴射流角度和速度等具有较大优化空间。基于计算流体力学数值模拟研究了集矿头附近三维水流结构,分析了喷嘴射流速度和结核粒径对局部流场、床面剪切力以及结核采集能效的影响。结果表明:集矿头周围流场存在典型分区结构,包括淹没射流区、冲击区、壁面射流区、汇合区和上升区;随着喷射流速增大,最大床面剪切力近似线性增长,结核有效起动面积指数增长;随着结核粒径增大,有效起动面积减小,结核采集能效降低;综合考虑结核采集强度和采集能效,建议采集器喷射流速取8~9 m/s。

    2023年03期 v.41 123-136页 [查看摘要][在线阅读][下载 1986K]
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  • 基于监测数据的深水水下井口循环弯矩计算方法

    张伟国;陈彬;逄淑华;李家仪;许伟;畅元江;殷志明;

    水下井口的疲劳完整性是海洋油气田长期安全开采的前提。工业界往往采用贴应变片直接测量水下井口应变来计算弯矩和疲劳损伤,但水下井口应变片粘贴困难且不能长时间连续工作。采用对水下井口监测方法,基于隔水管—防喷器组—水下井口的运动和力学特性,考虑防喷器组惯性力矩建立系统耦合动力学方程,最终形成基于监测数据的水下井口循环弯矩计算方法。以南海某深水水下井口为例,建立隔水管—防喷器组—水下井口系统有限元模型并进行动态分析,提取隔水管底部张力、转角、防喷器组加速度及转角等参数,代入所建立的系统耦合动力学模型,得到水下井口弯矩与有限元计算结果吻合良好。研究表明只需通过在线监测获得所需的输入数据,无需监测水下井口应变即可获取水下井口循环弯矩。建立的系统耦合动力学模型可为水下井口疲劳完整性评估提供理论依据。

    2023年03期 v.41 137-145页 [查看摘要][在线阅读][下载 1203K]
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  • 水下非均匀拖缆稳态动力学分析

    周磊;何景异;陈科;尤云祥;冯爱春;

    水下拖缆物理参数不均匀会影响拖缆的动力特性,研究非均匀拖缆的参数变化对拖缆动力特性的影响有一定的工程实际意义。建立了拖曳系统运动的三维数学模型,推导出了水下非均匀拖缆的稳态运动控制方程,在首尾两端加上相应的定解条件,直接求得或使用嵌套二分法求得非均匀拖缆在端点的初始值,进而求解稳态动力学方程。借助文献中的拖缆—海底拖车系统算例,通过计算结果的对比,验证了数学模型及计算方法的正确性。通过四阶龙格库塔法进行数值仿真计算,得到了稳态解,分析了非均匀拖缆自身物理参数变化对缆绳系统稳态运动的影响。结果表明,非均匀拖缆的切向阻力系数、法向阻力系数、直径和密度变化会影响稳态缆形和张力分布,影响的程度各不相同。最后给出了两个尾拖船系统非均匀拖缆的稳态运动算例。

    2023年03期 v.41 146-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 2170K]
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  • 自主水下机器人水下接驳插拔传输与无线感应传输研究现状及对比分析

    刘菲菲;郑荣;

    水下对接传输技术作为自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,简称AUV)水下能源补给及数据传输的重要方式,受到国内外的重点关注,目前采用的水下对接传输方式主要分为接驳插拔传输及无线感应传输。在探究国内外AUV水下对接研究概况的基础上,归纳、总结以上两种传输方式的研究现状,分析对比其在对接传输效率、发展限制因素、对接控制技术等方面的区别。通过分析发现,接驳插拔传输在传输效率及功率方面具备优势,无线感应传输则具有更高的简易性、经济性。此发现为不同作业需求下传输方式的选择提供了基础。通过技术发展限制因素对比得出,在未来技术发展方向上,接驳插拔传输技术需提升系统稳定性、灵活性及费效比,无线感应传输需解决能量损耗、系统鲁棒性及涡旋损耗等问题。对两种传输技术未来发展前景及方向的预测,能够为AUV水下传输的发展提供重要参考。

    2023年03期 v.41 157-167页 [查看摘要][在线阅读][下载 1103K]
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  • 软黏土中成桩工艺对HSCM桩抗压承载性能影响的模型试验研究

    宗钟凌;庄潇轩;黄蕴晗;郑家昌;金纬;赵晓晴;张驿;

    螺旋桩芯劲性复合桩(helix stiffened cement mixing pile,简称HSCM桩)是一种新型复合桩,其成桩工艺会对桩身及其承载性能有较大影响。为验证HSCM桩在软黏土中同步旋进注浆工艺的可行性,并研究其成桩参数对抗压承载性能的影响,设计了2组缩尺模型试验,包括不同叶片数量与钻进速度的HSCM桩与对比螺旋桩。通过在高岭土制备的软黏土中成桩,并进行抗压承载性能及桩身几何尺寸测试,分析HSCM桩的成桩参数与水泥土桩身间的关系。试验结果表明:同步旋进注浆工艺能够在螺旋桩周围形成倒圆台状的水泥土桩身,水泥土桩身的平均黏结直径约为叶片直径的1.17~1.35倍;适当增加叶片数量能够使水泥与土体充分拌和,提高水泥土桩身的完整性与连续性,以改善HSCM桩的成桩质量;钻进速度大幅提高会导致注浆量不足,减小水泥土桩身的黏结直径与刚度;试验条件下HSCM桩的抗压极限承载力是螺旋桩的3.83~3.93倍,桩径扩大提高了侧摩阻力,注浆工艺加固并提高了土体强度,弥补了叶片在旋进过程中扰动土体造成强度降低的问题。

    2023年03期 v.41 168-176页 [查看摘要][在线阅读][下载 1479K]
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  • 基于椭圆型滑动面的砂土中条形锚板上拔承载力计算方法

    杨枭;胡伟;孟建伟;林志;

    对于砂土中的竖向拉拔锚板,锚周土体滑动面的形态会随埋深比的增大而发生变化。基于滑动面连续演化的观点,审视了既有统一模型中滑动面形态表征函数的不足,在此基础上,提出了一种新的椭圆形态函数,并建立了相应的统一力学分析模型,提出了新的承载力计算方法。结果表明:新的形态函数能更好地反映滑动面的实际形态,承载力计算新方法也表现出了更好的适应性。

    2023年03期 v.41 177-184页 [查看摘要][在线阅读][下载 1141K]
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