- 吴勇虎;于邦廷;梁爽;于广欣;李元芳;张一平;
大型水面漂浮式光伏系统具有水平面积大、垂向抗弯刚度低的特点，在外海波浪作用下，柔性光伏系统的水弹性运动响应较大。针对漂浮式柔性光伏结构的特点，建立了二阶非线性波浪与柔性漂浮式光伏耦合作用的频域数值模型，基于模态展开法实现结构运动与流体作用的解耦。其中，柔性漂浮式光伏结构的水弹性运动响应利用经典欧拉-伯努利梁振动方程模拟，流体域利用二维Rankine源及关于海底的镜像作为格林函数建立边界积分方程，采用高阶边界元方法求解。通过对比验证，建立的耦合模型具有较好的精度。利用该模型计算分析了不同波高和结构抗弯刚度时的结构运动响应，发现非线性波浪力引起的结构运动响应不可忽略。还研究了波浪周期和结构抗弯刚度对结构弹性变形的影响规律：波浪周期越大，结构的弹性变形越由低阶模态占主导，结构运动幅值分布越平缓；结构抗弯刚度越小，结构的弹性变形包含越多高阶模态成分，结构运动幅值分布波动越大。
2024年05期 v.42 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 1143K] [下载次数：606 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：52 ] - 杜兵毅;葛文澎;吴涛;吴迪;苗得胜;
目前使用CFD方法计算浮式结构物的运动以及系泊线受力时，主要使用静态系泊模型，而静态系泊模型无法准确计算系泊线的张力。基于STAR-CCM+平台，使用重叠网格技术、DFBI多体运动模型以及VOF法捕捉自由面，通过求解N-S方程，对半潜式漂浮式风机半潜平台进行数值模拟研究。并以数据耦合迭代形式植入动态系泊模型，该模型可以充分考虑系泊缆张力、水动力载荷以及海床接触作用力。计算发现：与静态系泊模型相比，CFD和动态系泊模型耦合方法计算的半潜平台运动响应与之相近，系泊线张力响应相差较大；基于动态系泊模型的计算结果与试验结果更吻合。搭建的耦合方法计算精度高，与试验误差小，为浮式风机及其他浮式结构物的设计提供了一种高效精准的数值模拟方法。
2024年05期 v.42 10-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 1405K] [下载次数：897 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：27 ] - 王魁;赵伟文;万德成;
随着人们对风力发电经济性要求的提高，风机叶片逐渐变得更长、更柔软，风电场也在不断向深远海发展。因此有必要研究气弹性耦合情况下平台运动对风机叶片和风机发电功率的影响。基于弹性致动线模型，研究了纵摇、纵荡运动对浮式风机叶片气弹性的影响，分析了气动功率、气动推力和叶片变形。研究发现：由于强迫运动产生了额外的附加速度，15 MW风机气动功率波动可达3个标准差，风机的平均气动功率也因此而减小；叶片弯曲和扭转变形沿叶片展向呈非线性分布，叶尖挥舞变形最大值可达14 m，在设计塔架、叶片预倾角时应当预留出一定的变形空间；由于平台纵摇运动附加在各截面处的速度不同，叶片的变形会呈现出非对称的波动，这会使风力机叶片产生额外的气动载荷波动和结构响应。
2024年05期 v.42 21-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 2154K] [下载次数：622 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：12 ] - 郑荣坤;范永春;徐璐;刘东华;庄杰敏;柯世堂;
导管架基础钢管桩是支撑上部风机、承受风浪流荷载的关键结构。以某深水区海上风电场大兆瓦风机为例，对不同桩径的导管架基础模型进行动力特性分析，提炼出了频率随桩径变化的发展规律；同时，结合SACS软件分别对主体结构、主体与桩连接段的受力性能进行敏感性分析，综合对比不同桩径导管架基础对嵌岩的影响程度；在此基础上，对桩顶连接段的过渡段开展疲劳性能研究，分别获取不同桩径下过渡段的应力集中系数，系统地评估不同桩径的导管架基础对疲劳损伤的影响；最终，形成一种适用于浅覆盖海域、大兆瓦海上风机的新型大直径避免嵌岩的导管架桩基础。研究结果表明：结构受力对桩径变化的敏感性由强至弱分别为：灌浆连接段强度>桩顶过渡段强度>导管架基础强度>桩顶过渡段疲劳性能>桩长>频率；在满足规范要求的前提下，该场址地区增大1.5 m桩径可减小桩长4 m，大幅降低了桩端打入岩层的概率。
2024年05期 v.42 36-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1394K] [下载次数：837 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：14 ] - 马美玲;李立辰;吴文兵;刘浩;罗仑博;梅国雄;
作为美国石油协会（API）推荐的规范方法，p-y曲线法在水平受荷桩的计算分析中得到了广泛应用。随着海上单桩基础尺寸的增大，基于柔性长桩得出的API规范p-y曲线的适用性受到了越来越多的质疑。以中国某海上风电场大直径单桩基础水平静载试验为工程背景，分析了试桩的水平受荷变形特性。基于实测数据，对比了4种较为常见的p-y曲线方法的计算效果。结合三维有限元模拟分析了基础尺寸对p-y曲线形式的影响，并探讨了上述p-y曲线的适用工况。结果表明：API法不适用于大直径桩的分析计算；4种方法中，Sullivan法的预测值与实测值最为吻合。同时根据现场试验与有限元分析的结果提出了修正的p-y曲线计算方法。文中研究成果能为相似海域内大直径单桩水平承载变形特性设计提供一定参考。
2024年05期 v.42 44-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 1325K] [下载次数：570 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：10 ] - 舒健;毋晓妮;唐超;陈锦剑;李濡宇;
锚板基础是一类在海工系泊系统中广泛应用的锚固基础，其特点是具有较高的承载力和稳定性。锚板的承载能力是基础设计的重要参考因素，而承载能力与土体的性质密切相关。现有关于锚板承载力的研究多集中在单一均质土层中，而对层状土尤其是上硬下软这类层状土体中的承载特性认识不足。基于数值分析，综合考虑层状土的分层性质，对锚板基础在硬黏-软黏层状土体及砂土-软黏土复合土体中的承载特性展开研究，分析锚板埋深、土层抗剪强度比、层厚比及土体性质等关键因素对锚板周围土体破坏模式和承载力的影响。结果表明：在硬黏-软黏土体中，随着抗剪强度比、层厚比的增加，极限承载力均显著增加；在砂土-软黏土体中，极限承载力同样随着层厚比的增加而增加，当下层软黏土中的锚板破坏进入局部破坏后，层厚比对承载力的影响逐渐减弱。研究可以为上硬下软层状土中锚板基础的承载力确定提供计算方法和理论参考。
2024年05期 v.42 54-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 2401K] [下载次数：170 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：9 ] - 刘娇;刘积昊;林志良;
面向海上风机运维人员登乘场景，为获取准确的船舶与风机平台相对位置姿态关系，提出采用端-端的深度学习网络方法来训练基于风机平台RGB图像的位置估计器。首先，设计搭建能够精准控制位置姿态的图像数据采集装置，用以采集带有圆柱坐标标签的训练、测试和验证图像数据集，其中，训练集图像12 586张，测试集图像3 198张。训练集样本标签的空间为：径向2.1～18.9 cm，高度1.2～9.0 cm，角度66°～114°；采样间隔密度为：径向0.6 cm，高度0.6 cm，角度1.6°。然后，通过学习训练获得基于ResNet50网络的船舶-风机平台相对位置估计器，利用多组数据测试集评估了该位置估计器包括误差分布情况和运动模糊条件下的鲁棒性等性能。根据数据分析，相对位置估计器在径向、高度和角度3个自由度的平均绝对误差分别为0.10、0.07 cm和0.28°，且对轻度运动模糊具备鲁棒性。
2024年05期 v.42 68-77页 [查看摘要][在线阅读][下载 1449K] [下载次数：73 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：9 ] - 王慧磊;朱本瑞;杨成祥;崔希君;魏羲;
针对海洋移动式自安装平台，提出了隔水管外置框架支撑、内置框架支撑和张紧式支撑3种方案。采用有限元分析软件ANSYS，建立了对应的平台整体耦合分析模型，开展了平台结构模态和静力分析，进而对3种支撑方案下平台的整体性能进行了对比研究。结果表明：隔水管外置与内置两种框架支撑方案下平台的自振周期差异微乎其微，张紧式支撑会导致隔水管发生低阶振动；隔水管外置框架支撑方案在三者中综合性能表现最优，可作为海洋移动式自安装平台井口区的设计方案。
2024年05期 v.42 78-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 1790K] [下载次数：36 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：9 ] - 张洋;张桂勇;王子豪;肖启航;孙铁志;
了解流噪声产生机理及其特性，对于正确预测以及降低海洋结构物噪声具有重要意义。为了详细分析圆柱绕流的声辐射特性，对三维圆柱绕流噪声进行了数值模拟研究。首先，采用大涡模拟（large eddy simulation，简称LES）方法计算了非定常流场特征，结果与试验数据对比吻合良好；接着，基于流场结果利用FW-H方程以面积分法预测远场噪声，其总声压级与试验误差在5%以内，验证了方法的有效性；随后，对圆柱绕流噪声的辐射特性进行了分析，发现关于圆柱对称的各点总声压级相等，表明圆柱绕流声场具有对称性，与来流方向垂直、平行的各点声压级存在峰值，峰值频率分别对应于圆柱绕流涡脱落频率和涡脱落频率的两倍；最后，在亚临界雷诺数范围内分析了不同雷诺数对圆柱绕流噪声的影响。分析结果将为后续降噪研究提供一定参考。
2024年05期 v.42 87-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 1274K] [下载次数：175 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：8 ] - 张仲毅;户大勇;张军;焦艳梅;
流体流经壁面凸起后在壁面凸起的后方产生周期性脱落的尾涡，尾涡内流场复杂。当尾涡继续流动流经游动中的仿生鱼时，仿生鱼的水动力系数也随之发生剧烈变化。基于多重直接力浸没边界法，结合狄拉克函数，通过求解不可压缩Navier-Stokes(N-S)无量纲方程，对低雷诺数情况下的仿生鱼游动过程进行无量纲化数值模拟研究。为了验证算法和自主开发程序的准确性，对圆柱绕流和NACA0012外形鱼体游动流场进行了验证算例计算，计算结果与文献结果吻合较好，验证了算法和程序的有效性。在此基础上，研究固壁半圆形凸起对仿生鱼游动水动力系数的影响，计算结果表明：当仿生鱼距壁面较近时（d=0.25L），仿生鱼受到远离壁面方向的侧向力和顺时针方向力矩；当仿生鱼距壁面较远时（d=1.25L），仿生鱼受到指向壁面的侧向力和逆时针方向力矩。总体而言，壁面凸起使得仿生鱼更容易在与壁面有一定距离的高度区间内游动，壁面凸起对仿生鱼游动起到了一定减阻作用。
2024年05期 v.42 97-105页 [查看摘要][在线阅读][下载 1306K] [下载次数：430 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：9 ] - 邓年春;张志豪;韦承勋;余松泽;李盛辉;
近海桥梁所处海洋环境极为复杂，极易受到海啸及风暴潮等极端波浪灾害的威胁，倾斜的T形与箱形桥梁上部结构不同的截面形式在极端波浪作用下所受波浪力存在较大差异，应对其进一步研究比较并区别考虑。通过数值模拟方法以孤立波模拟海啸极端波浪，开展极端波浪对倾斜桥面结构影响的数值研究。首先对数值水槽中的波浪模拟效果及波浪力计算准确性进行验证，在此基础上，研究不同淹没深度、波高及桥面倾斜角度变化条件下T梁和箱梁所受波浪力特点，并比较两者受力差别。研究结果表明：总体上，波高越高两种主梁所受竖向力、水平力和弯矩越大；T梁与箱梁水平力峰值和竖向力峰值往往发生在负倾角范围；T梁与箱梁处于未淹没状态时受波浪砰击影响，所受波浪力主要由砰击力主导，T梁受梁肋间空区影响，发生多次砰击作用，箱梁发生单次砰击作用，主梁截面形式对主梁所受波浪力影响显著。半淹没情况下，在相同波高和倾角条件下T梁竖向力和水平力峰值均大于箱梁竖向力和水平力峰值，由负倾角所主导。全淹没情况下，主梁主要受极端波浪动水压力作用，T梁与箱梁空区被水体填满，两者腹板几何形状对竖向动水压力影响较小，而对水平力峰值有显著影响。
2024年05期 v.42 106-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 2265K] [下载次数：194 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：11 ] - 李慧敏;丁伟业;蔡涛;孙宏月;赵西增;
利用FLUENT进行二维波浪水槽数值模拟，对孤立波作用下多排水平板的水动力特性开展研究。首先通过与试验结果的对比，验证数值模型在处理孤立波与水平板相互作用问题上的准确性；然后分析相对波高、板宽、相对板间隙和相对潜深等参数对多排水平板消浪性能的影响，通过分析流场和涡量场，讨论多排水平板结构的消波机理。研究结果表明：当相对板间隙j/B在0.02～0.10范围内时，多排水平板的消浪效果最好，优于单排水平板；多排水平板为水体交换提供了空间，并降低了结构受力，在减少施工用料的同时还具有良好的消浪能力。
2024年05期 v.42 119-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 1678K] [下载次数：301 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：10 ] - 唐晓成;刘华宇;陈洪洲;史国家;方娟;付鹏帅;
采用基于泰勒级数展开的CSPH(corrective smoothed particle hydrodynamics)方法和Riemann解改进了光滑粒子流体动力学（SPH）方法，模拟了波浪与双消浪室有顶板开孔沉箱的相互作用。通过与试验数据的对比，验证了数值方法的准确性和适用性。分析了顶板高度s、消浪室宽度B和开孔率μ等因素对沉箱附近波面η和水平波压力p的影响。结果表明：在计算波浪条件下，顶板高度s和开孔率μ是沉箱波面峰值的主要影响因素，而消浪室宽度B对波面峰值的影响较小；同时，随着顶板高度s的增加，静水位处前开孔板和后实体墙的波压力峰值均逐渐减小，而后开孔板的波压力峰值先减小后增大。此外，改进后的SPH方法还可用于研究水粒子的压力场和速度场的情况，追踪水粒子在不同位置、不同时刻的瞬时速度，描述水粒子的运动状态，为研究波浪和开孔沉箱的相互作用提供了有效手段。
2024年05期 v.42 130-141页 [查看摘要][在线阅读][下载 1678K] [下载次数：163 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：10 ] - 余海涛;白志刚;王英志;刘宣;俞杰;
波浪能是一种极具潜力的可再生能源。为推进波能资源的利用，开发具有应用前景的新型波能转换装置（WEC），提出了创新性的弹性胶囊振荡水柱式（EC-OWC）波能转换装置，设计建立了物理试验模型。通过膨胀波试验，研究了弹性胶囊的膨胀特性和自由膨胀波的运动特性；通过波浪试验，研究了装置与波浪耦合作用时的水动力性能，以及波浪和模型参数对系统振荡和波高放大比的影响。结果显示：装置内外水头差由0增加至30 cm时，自由膨胀波波速由约3.02 m/s减小至1.90 m/s，与一维纵波理论结果规律相符；相对水深在0.064 4～0.078 2范围内时，稳定后的波高放大比基本均超过4，其中相对水深值为0.070 6时达到最大波高放大比6；波高放大比随相对水头的增大先增大后减小，相对水头值为6时达到最大波高放大比6.5；波高放大比在相对管长为1.77时达到最大值6.35。结果表明：一维纵波理论可为弹性胶囊的设计提供支撑；控制水头差可有效调整装置的自然振荡周期；当装置内外振荡周期相匹配时，系统达到近似共振，装置内部膨胀波为驻波，且当胶囊长度接近半波长时，波高放大比达到最大。通过对EC-OWC模型的初步水动力性能试验研究，展示了该装置的优越性能和共振特性，可为此类WEC的开发提供参考。
2024年05期 v.42 142-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 1690K] [下载次数：279 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：11 ] - 李蒙;刘曾;
为及时准确地获取波面信息，建立了基于双目立体视觉的波面重构流程，从二维波面图像中快速获取三维波面分布。使用双目相机拍摄的波面图像对作为原始数据完成相机参数标定，基于加速鲁棒性特征算法、金字塔搜索法和极线约束完成波面特征点的提取和立体匹配。最后通过立体矫正、视差图分析及图片后处理优化流程实现波浪场的三维点云重构，并选取重构区域作线性插值划分均匀网格，将三维点云投影至二维波面原始图像完成可视化。研究结果表明，在光照条件良好、风浪等级相对较大的情况下，双目立体视觉模型能够准确提取波面特征点，重建的三维点云能够再现波面，具有使用便捷且成本较低的特点，为后续做波浪等级分析及波高预报的相关研究奠定了基础。
2024年05期 v.42 157-164页 [查看摘要][在线阅读][下载 1034K] [下载次数：303 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：10 ] - 徐海珏;粟雅磬;黄哲;白玉川;王刚;姚海元;
围垦养殖对河口海岸的水动力和水环境带来了潜在危害，因此，在围垦区逐渐开始实施退养还滩工程以修复河口的水动力环境。但是，目前对于退养还滩工程引起的水动力变化还缺少完善的评价和研究。以滦河口退养还滩工程为研究对象，构建二维水动力数值模型，从水动力场、纳潮能力和行洪能力三个方面研究还滩工程对滦河口径潮作用特征的影响。结果表明：滦河口退养还滩工程区域面积约300 hm2，河口断面扩宽造成了河口内水动力条件的变化。径流动力明显减弱，洪季河道内下泄流速最大降幅约为61.82%；潮流动力显著增强，枯季时潮流上溯流速增加0.25 m/s；径潮作用平衡位置向上游移动。河口纳潮能力显著增强，枯季大潮期间涨潮历时延长了12.5%，涨潮周期纳潮通量增长了219.8%。河口行洪能力明显提高，河道内洪季最大水面降幅达45.8%，水力坡度逐渐减缓，主动力轴线流速明显降低。退养还滩工程有利于河口的防洪御潮及生态环境改善，建议进一步加大实施力度。
2024年05期 v.42 165-177页 [查看摘要][在线阅读][下载 1855K] [下载次数：164 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：8 ] - 李宗晏;陈旭光;刘学麟;刘茜茜;丁聪;
多金属结核赋存在深海5.0 km左右的平原区域，该区域的稀软沉积物含水率高、承载力低。深海采矿车在触底过程中，矿车下方稀软沉积物受到冲击后易发生扰动破坏，从而极易引发矿车沉陷，这将严重影响矿车的正常作业，甚至会导致停机。矿车是否沉陷与其触底后的应力分布形式密切相关，但尚无理论对其进行分析。通过开展采矿模型车不同触底速度下的触底试验，揭示了矿车触底后下方土体竖向应力随时间的变化规律及分布范围。在传统理论基础上，推导并验证了一种考虑履齿影响的竖向应力值的理论公式。研究发现，触底后下方土体的应力值会快速增长并趋稳定，且达到稳定应力值所需时间与触底速度成反比。随着触底速度增大，矿车下方应力泡形状会从平滑单峰向单峰两侧有平台的形状变化，车体正下方的应力传播得最远。相对于平板，履齿板应力影响深度显著增加。经误差分析，改进的理论公式比传统理论与试验结果吻合效果更好，提升了深海矿车触底后应力计算精度。文中研究围绕矿车触底后的海床应力分布进行了一系列讨论，可为深海矿车低扰动、防沉陷设计提供理论参考。
2024年05期 v.42 178-190页 [查看摘要][在线阅读][下载 1830K] [下载次数：368 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：10 ] - 严加豪;刘茜茜;高兴政;刘学麟;王华鹏;陈旭光;
康达式射流作为深海采矿集矿方法之一已被广泛接受，但现有研究均较少关注结核的剥离及沉积物扰动特性，导致无法准确评估康达式流场下结核的开采效果及其对深海环境的影响。研究分析不同参数下康达式射流冲蚀开采结核及海床的扰动特性，并进行开采参数优化。研究结果表明：射流集矿作用下，海床受扰动后形成不规则椭圆形冲蚀坑；冲蚀坑深度与射流流速、射流角度呈正相关，随附壁板曲率半径的增大先增大后减小，最佳附壁板曲率半径为100 mm；当射流流速低于5 m/s时，考虑提升效率，射流角度优选55°，当射流流速高于（含）5 m/s时，考虑低扰动要求，射流角度优选45°，最佳开采参数组合为射流流速为5 m/s，射流角度为45°，附壁板曲率半径为100 mm。建立了深海水力集矿射流扰动深度的预测公式，为实际深海水力开采装置低扰动优化设计提供参考。
2024年05期 v.42 191-206页 [查看摘要][在线阅读][下载 1943K] [下载次数：504 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：14 ] 下载本期数据