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《海洋工程》2021年第2期中文摘要
日期:2021年03月31日 16:15:48点击数:字号:【

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

唐友刚1, 2, 3,曲晓奇1, 2, 3,李  焱1, 2, 3, 张若瑜1, 2, 3,朱晓宇1, 2, 3,尹天畅1, 2, 3

(1.天津大学建筑工程学院,天津  300350;2. 天津大学港口与海岸工程天津市重点实验室,天津 300350;3. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350)

摘  要:针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。

关键词:畸形波;张力腿,浮式风力机;二阶波浪载荷;下沉运动

 

砂土中四筒导管架风机基础抗弯承载力研究

乐丛欢1, 2,任建宇2,姜明涛2, 3,张浦阳1, 2,丁红岩1, 2, 4

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津  300350;2. 天津大学建筑工程学院,天津 300350;3. 中国三峡新能源(集团)股份有限公司,北京  100053;4. 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津  300350)

摘  要:针对一种四筒导管架海上风机基础,基于有限元数值分析,通过建立砂土中不同筒径和筒高的四筒导管架基础有限元模型,研究砂土中单调弯矩荷载的作用下,筒径与筒高对导管架基础抗弯承载力的影响。分析结果表明:四筒导管架风机基础的抗弯承载力随着筒高或筒径的增加呈明显的增长趋势,相比于筒径的增加,筒高的增加对提高基础抗弯承载力更为有效;在极限弯矩荷载的作用下,基础旋转中心水平向位置受筒高的影响较大,但竖向位置受筒高和筒径的影响很小。

关键词:海上风电;四筒导管架基础;筒径;筒高;抗弯承载力

 

非线性管土耦合作用下钢悬链式立管触地区敏感性分析

林志远1, 2,白兴兰1, 2,尤岩岩1, 2

(1 浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江 舟山  316022;2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江 舟山  316022)

摘  要:浮体运动和海床土刚度是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)管土相互作用的关键因素,将导致SCR 触地区的疲劳损伤。以工作水深为 1 500 m 的浮式平台上生产立管SCR为研究对象,基于法向抗力模型和侧向阻力模型建立管土作用模型,在环境载荷和浮体运动作用下,开展SSCR与浮式平台的整体分析,研究海床土参数对SCR触地区动态响应和疲劳寿命的敏感性。通过改变海床土的不排水抗剪强度Su0、强度梯度ρ、吸力因子fsuc、吸力衰减参数λsuc以及再贯入系数λrep等,得到不同参数对触地区动力响应、疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:① 基于软黏土海床,随着不排水抗剪强度Su0的增加,触地区立管疲劳寿命减幅达到33.23%,敏感性最高;② 吸力因子fsuc越大,立管疲劳寿命越小且减幅达23.77%,其敏感性较高;③ 随着再贯入系数λrep增大,触地区立管疲劳寿命增幅达到15.48%;④ 海床抗剪强度梯度ρ 和吸力衰减参数λsuc对立管疲劳寿命影响较小。研究结论能为SCR设计分析及安全服役提供重要参考。

关键词:钢悬链式立管;非线性管土作用;敏感性分析;触地区;海床土刚度模型

 

桩靴贯入黏土层时邻近群桩相互作用分析

王庆功1, 2, 王建华1, 2, 范怡飞1, 2

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津  300072;2. 天津大学岩土工程研究所,天津  300072)

摘  要:为研究钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法对桩靴贯入黏土层时邻近群桩中各桩荷载分担比、桩头附加位移及两桩相互作用系数进行了分析。首先通过对缩尺模型试验的数值分析,验证了CEL方法的可行性;然后进一步分析了桩靴贯入黏土层时对邻近群桩相互作用的影响;最后探讨了净间距、桩间距对群桩相互作用的影响。结果表明,在桩靴贯入中,前桩的荷载分担比大于后桩,且桩靴贯入至一定深度后,当净间距越小或桩间距越大时,前桩的荷载分担比越大、后桩的荷载分担比越小,但各桩的荷载分担比随桩靴贯入深度增加时的变化规律不变;净间距越大,桩头附加位移及相互作用系数越小;在桩靴贯入时,由于受群桩遮拦效应的影响,桩头附加位移及相互作用系数随桩间距的变化规律同插桩前有所不同,当桩间距大于3倍桩径时,随桩间距的增加而减小,当桩间距小于3倍桩径时,随桩间距的增加而增大。

关键词:桩靴贯入;CEL 方法;黏土层;荷载分担比;桩头附加位移;相互作用系数

 

波流作用下悬浮隧道运动响应纵向截断模型试验研究

阳志文1,张华庆1,李金钊2,袁春光1,季新然3,杨  华1

(1. 交通运输部天津水运工程科学研究院 港口水工建筑技术国家工程实验室,天津 300456;2. 湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙  410082;3. 海南大学土木建筑工程学院,海南 海口  570228)

摘  要:利用波流水槽构建悬浮隧道纵向截断模型试验,分析了水流及波浪作用对悬浮隧道运动响应的影响,获得了管体结构的垂向及横向运动响应特性。研究结果表明:水流流速较小时,模型振幅随约化流速Vr增大而增大,而在约化流速为5.8附近,管体振幅达到最大并在这一临界值之"后形成较为稳定的振幅值,产生明显的结构共振和涡激振动“锁定”现象。振幅稳定后垂向幅值约为管径的2倍,横向幅值与管径相当。对于波浪单独作用,在波浪较弱时,横向幅值与垂向几乎相等,随着特征KCn数的增大,响应振幅先增后减。在特征KCn数小于0.51范围内,垂向振幅大于横向振幅,其余范围则相反。垂向振幅和横向振幅分别在特征KCn数为0.42和0.55时达到峰值,且两个方向的最大振幅值均与管体的管径相当。相对响应频率随着特征KCn数的增大而减少,且垂向大于横向。

关键词:悬浮隧道;波流作用;纵向截断;结构共振;涡激振动

 

新型动力安装锚水动力学特性模型试验研究

王  煦,韩聪聪,刘  君

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连  116024)

摘  要:相比于已有动力锚(鱼雷锚、多向受荷锚等),新型轻质动力安装锚借助助推器安装,具有质量轻、埋深大、承载效率高、在海床中下潜容易等特点。良好的水动力学特性(较小的拖曳阻力系数及稳定的下落垂直度)是确保动力安装锚准确、有效地安装到指定地点并贯入到设计深度的前提。通过4组10个工况的模型试验,研究了轻质动力安装锚的终端速度和拖曳阻力系数,及轻质动力安装锚和助推器的组合锚在水中自由下落时的方向稳定性。试验结果表明:优化后轻质动力安装锚的拖曳阻力系数为0.51 ~0.55,这有助于提高组合锚在水中的下落速度,从而提升组合锚的沉贯深度;增大助推器尾翼展弦比和选用轻质材料制作尾翼能减小组合锚的下落偏角,提高组合锚的方向稳定性。

关键词:动力安装锚;水动力学特性;模型试验;拖曳阻力系数;下落速度

 

深水桥梁台阶式沉井基础局部冲刷特性研究

闻云呈1,王晓航1,夏云峰1,赵泽亚1,成泽霖1, 2

(1. 彩神app下载安卓版,江苏 南京  210029;2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院,江苏 南京  210098)

摘  要:为探究台阶式沉井基础附近局部冲刷的影响,建立三维水动力数学模型,计算分析恒定流下台阶式沉井基础附近水动力特征。基于数值模拟结果设计了8个有效试验工况进行物理模型试验,分别探究了台阶式沉井平台宽度、埋置深度以及挡墙高度对局部冲刷特性的影响并进行讨论。试验结果表明台阶式沉井局部最大冲刷深度随平台截面宽度比增大逐步减小并趋于稳定。台阶式沉井局部最大冲刷深度随平台埋深比增大而逐步减小最终趋于稳定。台阶式沉井平台处设置较低挡墙对减小沉井周围局部冲刷最大深度有小幅的效果。

关键词:桥梁工程;台阶式沉井;局部冲刷形态;水槽试验

 

杭州湾枯季水沙若干特征分析

葛  灿1, 2,潘存鸿1,张沈阳1

(1. 浙江省水利河口研究院浙江省河口海岸重点实验室,浙江 杭州  310020;2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室,上海  200241)

摘  要:根据2014年1月及2017年2月杭州湾大、小潮水沙资料,计算了流速、含沙量、单宽潮量、单宽输沙量,进而分析了潮周期断面净潮量、净输沙量和区域冲淤分布。研究发现杭州湾涨、落潮平均流速比值整体较20世纪八九十年代增大,绝大部分区域大于1.0,涨潮流相对增强,澉浦南岸和金山北岸尤为显著。含沙量平面上分布澉浦、杭州湾南岸两个高值区(大潮大于3 kg/m,,小潮大于1.3 kg/m)以及北岸湾口至乍浦之"间的低值区(大潮小于2 kg/m,小潮小于0.9 kg/m),随潮汛变化显著,最大含沙量浓度通常滞后于急流时刻。各测站涨、落潮量和输沙量呈现“大涨大落”和“大进大出”的特征,造成杭州湾短时间尺度内的“大冲大淤”。大潮两涨两落金山与乍浦、乍浦与澉浦之"间区域净输沙量可达几千万吨,净冲淤则在几百万吨。

关键词:水沙特征;流速比;水沙通量;冲淤分布;杭州湾

 

围垦对舟山群岛海域潮流结构及潮能分布影响研究

任一晗1,叶涛焱1,杨铭哲2,李  莉1, 3,贺治国1, 3,夏乐章1, 3,管卫兵3, 1

(1. 浙江大学海洋学院,浙江 舟山  316021;2. 浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州  310058;3. 卫星海洋环境动力学国家重点实验室(自然资源部第二海洋研究所),浙江 杭州  310058)

摘  要:舟山群岛海域潮能丰富,近年来大面积的围垦工程影响了邻近海域的潮流结构与潮能分布特征。基于FVCOM(finite volume cosatal ocean model)三维水动力数值模型,选取1984年、2010年、2019年三个代表年份,探讨围垦工程影响下舟山群岛海域潮流结构与潮能分布的时空变化状况。结果显示:1984年至2010年间围垦面积相对不大,且较为分散,主要改变外海进入杭州湾各通道的潮能分配,对能量耗散的影响较小。2010年至2019年间的围垦工程缩窄了潮汐通道,流速增大使得螺头水道及邻近水道的潮能增加,近底流速增大与较强湍流涡旋的产生,使得围垦工程周边海域能量耗散更为集中。

关键词:舟山群岛;围垦工程;潮能通量;潮能耗散

 

舟山LNG取水流道泥沙淤积试验研究

郭雅琼1,马进荣1,邹国良1,张  霖2

(1. 彩神app下载安卓版 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室,江苏 南京  210029; 2. 海南省海洋与渔业科学院,海南 海口  571126)

摘  要:液化天然气(LNG)接收站取水流道内水流形态十分复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内回淤泥沙可能威胁接收站的正常运营。结合现场实测资料,建立取水泵站流道内泥沙物理模型试验,模拟了位于含沙量较高海域的舟山LNG取水流道内泥沙淤积强度及其分布特征。研究结果表明,取水泵站内主要淤积部位发生在前池、过滤池末端、吸水间进口和中部以及应急消防泵附近。在LNG运营和停机期间,消防泵和位于吸水间的海水泵均有埋淤风险。结合试验结果和周边已运营LNG取水泵站泥沙淤积及清淤情况,建议在关注区设立射流冲刷装置,可减少人工清淤频次,提高取水安全保证率,从而增加运营效益。

关键词:舟山LNG;取水泵站;流道;泥沙淤积;物理模型

 

前板可旋转的双垂板结构水动力特性的理论研究

欧泽挺,邓争志,任  翔,赵西增

(浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021)

摘  要:振荡水柱波能转换装置的最大转换效率往往受到腔内水柱共振机制的直接影响。通过对装置的基本结构进行简化,提出了一种前墙可绕固定轴旋转的双垂板式结构系统,旨在通过前墙的旋转运动进一步加剧水柱的振荡,从而对腔内水柱的共振机制进行调节和控制。基于线性波理论,采用匹配特征函数展开法对波浪与双垂板结构的相互作用进行理论研究,针对流场在结构物尖角附近的奇异性特征,将公共界面上的速度分布基于切比雪夫多项式近似展开,并应用区域间的速度与压力连续条件进行求解。通过分析结构的几何参数对反射透射系数、平均波面高程、前墙旋转振幅以及前墙与水面间相位差的影响,深究其共振机理,为振荡水柱波能转换装置的效率优化机制提供理论依据。结果表明,在所研究的波浪频率范围内,前墙的自由旋转运动会加剧板间的平均波面高程,应用于波浪能转换装置中能进一步拓宽高效频率带宽。

关键词:线性波理论;波浪与结构物的相互作用;匹配特征函数展开法;双垂板;波能转换;振荡水柱式

 

基于M-BEMT 2.0 研究串列海流发电机的水动力性能

王佳玉1, 2,余  龙1, 2

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海  200240;2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海  200240)

摘  要:海流发电机(MCT)是开发海洋可再生能源的重要装置。在预测海流发电机水动力性能方面,修正叶素动量理论(M-BEMT)方法被验证是一种简单有效的方法。为了进一步提高M-BEMT方法的适用性和准确性,基于M-BEMT方法开发M-BEMT 2.0 方法包括时均法(TA-BEMT 2.0)和瞬态积分法(TI-BEMT 2.0),新方法考虑了来流的轴向非均匀性和周向非均匀性。首先使用文献的试验结果验证均匀来流时新方法的适用性。然后使用计算流体力学(CFD)计算结果验证非均匀来流时新方法的适用性。最后结合新方法和CFD方法深入研究两个串列排布海流发电机(MCTA)的水动力性能。基于M-BEMT 2.0研究发现,均匀来流时计算结果与试验结果基本吻合,非均匀来流时新方法的计算结果优于M-BEMT的计算结果。对于MCTA,当第一个MCT的叶尖速度比越大,第二个MCT功率比和推力比恢复到90%的距离越短。

关键词:海流发电机;M-BEMT;CFD;发电机阵列

 

基于HUST-Ship的船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法研究

刘李为,王  爽,张志国,王先洲,冯大奎

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院,湖北 武汉  430074)

摘  要:基于自研的HUST-Ship黏性流CFD求解器,提出了一种船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法和网格生成技术。在自研的CFD软件平台中,根据波浪参数(规则波的波长、波高和不规则波的特征周期、有效波高)自动生成船舶耐波性数值试验水池。以结构化重叠网格技术为基础,分别对船舶与水池进行网格划分并进行网格的组装、重叠,实现船舶在耐波性数值试验水池中的数值“试验”,对船舶耐波性进行数值预报。根据波浪种类分为规则波数值试验水池与不规则波数值试验水池,可对各类波浪条件实现精确可靠的数值造波,模拟船舶在各种波浪环境中运动响应、耐波性事件与非线性运动特性。采用参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池能够提高建模和网格生成效率,通过对国际标模进行数值预报并与船模试验结果对比,验证了参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池对船舶在波浪中运动性能的计算精度。

关键词:数值试验水池;耐波性;参数化建模;CFD;重叠网格

 

螺旋桨对海冰切削作用的DEM-FEM耦合分析

杨冬宝,季顺迎

(大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连  116024)

摘  要:当船舶在冰区航行时,螺旋桨会与海冰相互碰撞并导致桨叶的变形和损坏,进而影响船舶的航行安全。为研究海冰与螺旋桨的相互作用过程,采用离散元(DEM)—有限元(FEM)耦合方法构建海冰—螺旋桨切削模型。海冰和螺旋桨模型分别采用具有黏结—破碎特性的球体离散单元和8节点六面体有限单元构造。基于该DEM-FEM耦合模型讨论了不同切削深度下,螺旋桨所承受冰载荷的特点和规律;最后,研究了螺旋桨切削海冰过程中进速系数、推力系数、扭矩系数之"间的对应关系,并讨论了海冰—螺旋桨相互作用过程中冰压力、Mises应力和变形的分布特点。以上研究可为寒区船舶安全航行和螺旋桨设计提供有益的参考。

关键词:螺旋桨;海冰;DEM-FEM耦合模型;冰载荷

 

一种基于状态空间模型的浮式海上升压站平台动力响应计算方法研究

汤群益1, 2,孙震洲1, 2,陈杰峰2,金  磊3

(1. 浙江省深远海风电技术研究重点实验室,浙江 杭州  311122;2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州  311122;3. 三峡新能源山东昌邑发电有限公司,山东 潍坊  261300)

摘  要:浮式海上升压站的动力响应分析是其设计阶段的重要内容,对浮式升压站进行结构优化进而改进其水动力性能意义重大。提出一种基于状态空间模型的浮式海上升压站平台动力响应算法,该方法通过频域拟合的方法计算延迟函数频响函数有理分式的系数,得到延迟函数的极值和留数,进而构建延迟函数的状态空间模型,通过状态空间模型代替Cummins方程中的卷积项,从而计算浮式海上升压站的动力响应。采用日本福岛示范项目的浮式升压站模型对方法进行验证,结果表明计算得到的动力响应与商业软件SESAM计算结果吻合较好,说明方法的有效性。

关键词:浮式海上升压站;Cummins方程;频域拟合;状态空间模型;动力响应

 

基于模糊故障树方法的脐带缆可靠性分析研究

夏  冉1,刘洪磊2,张  洲1,罗  丹1,张  玉1

(1. 中国石油大学(北京),北京  102200;2. 中海油信息科技有限公司天津分公司,天津300450)

摘  要:脐带缆作为水下生产系统的“神经生命线”,是水下生产系统的关键一环,其可靠性问题越来越受到关注。影响脐带缆可靠性的事件具有随机性,目前缺乏对这些随机事件发生概率的统计,难以直接对其可靠性进行定量分析。基于模糊数理论和故障树结合的方法对脐带缆可靠性进行分析,首先获得引起脐带缆失效的40个最小割集及底事件重要度排序。其次采用基于模糊集理论的定量分析对脐带缆故障树系统中的底事件进行统计计算,得到各底事件的失效概率,最终计算出顶事件概率,并得出导致脐带缆失效的主要因素依次为护套/铠装失效、钢管失效、电缆失效,为脐带缆的安全运行提出适当的建议。

关键词:脐带缆;模糊故障树分析;可靠性;模糊集理论;专家判断

 

海洋内孤立波预警监测识别技术及其在流花16-2油田群开发中的应用

王火平1,陈  亮2, 3, 4,郭延良2, 3, 4,曹柳忠1,胡筱敏2, 3, 4,熊学军2, 3, 4

(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程建设中心,广东 深圳  518067;2. 自然资源部第一海洋研究所海洋环境与数值模拟研究室,山东 青岛  266061;3. 海洋试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛  266061;4. 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛  266061)

摘  要:我国南海内孤立波发生频繁,由于其振幅大、流速强、能量集中等特点,已成为深海油气开发海上安装工程必须考虑的重大风险之"一。依托现场守护船,提出一种内波流结构单体式监测、识别技术,采用KdV方程实现内波流预警,并成功应用于流花16-2油田群开发项目海管管线终端(PLET)安装、浮式生产储卸油装置(FPSO)锚系及水下管缆回接、空气潜水等高风险作业的内波流预警安全保障中,同时基于此次内波流预警监测结果对该海域的内波生成源和生成机制进行了探讨。应用期间采用该技术共监测、识别并发布内波预警450次。应用结果表明,约93%的内波预警时刻误差在10 min 以内,平均误差为±3.90 min。统计分析结果表明,该海域的内孤立波主要来源于巴士海峡而非局地的潮地相互作用,大致可以分为两类:一类是直接产生于巴士海峡,西传至该海域;另一类是局地产生,主要是由巴士海峡产生的内波西传至陆坡浅化分裂生成或是由巴士海峡产生的内潮西传至陆坡由于非线性变陡机制产生。该内波流监测技术在流花16-2油田群开发项目的成功应用,可为南海其他类似项目提供直接的借鉴。

关键词:南海;内孤立波;内波流预警;KdV方程;油气开发;工程应用

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