基于CFD方法对波浪中FLNG分段液舱晃荡耦合运动的研究

作为液化天然气运输船,FLNG船在世界范围内引起广泛关注。在FLNG载液运输的过程中,船体会受复杂海洋环境影响产生摇晃,船体运动会带动液舱内液体产生晃荡,同时这种晃荡现象反过来也会与船体运动产生耦合作用。由于船舶运动与液舱内液体晃荡耦合作用的重要性,该问题十分具有研究价值。该文主要应用CFD方法,同时对液舱内部与外部流场进行模拟。对规则波中带双液舱FLNG分段的液舱晃荡耦合运动问题进行研究。该文应用的求解器是课题组基于Open FOAM自行开发的海洋工程水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。首先对空舱FLNG分段在不同频率规则波中的横摇运动进行模拟,并与文献结果进行对比,验证了求解器的准确性。接着针对液舱充液率24.3%的情况,对分段在不同波浪频率下的运动情况进行计算研究。在比对参考文献后,发现该文求解器的模拟结果比文献中的势流计算结果更加贴近文献中给出的物理实验结果。随后,研究在波浪频率相同时,五种不同充液率情况对FLNG分段液舱晃荡耦合运动的影响,并分析FLNG分段内外壁所受力矩相位差对耦合运动幅值造成的影响。最后将上述工况的波高增大一倍,再次研究在不同充液率下FLNG分段耦合运动受不同波陡的波浪的影响情况及规律。研究结果表明,naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效模拟波浪环境下液舱晃荡-船体运动耦合问题,并可以对整个流场进行可视化展示与分析,从多角度分析这一复杂现象的机理。     

综合管廊雨水舱缓解城市内涝的效果分析

为了探究综合管廊雨水舱缓解内涝的效果,以广州市杨梅河为例,建立了杨梅河区域现状排水系统、现状排水系统结合综合管廊雨水舱两种工况的暴雨洪水管理模型(SWMM),计算了4种降雨重现期下各工况杨梅河出口流量和典型内涝点溢流量。结果表明:雨水舱较优断面为宽4 m、高3.3 m,此时各降雨重现期下雨水舱对研究区总溢流量的缓解效果已达上限;综合管廊雨水舱可缓解杨梅河下游内涝,对下游两处典型内涝点的溢流量平均削减率分别为86.5%和42.2%,但对杨梅河上游内涝几乎不起作用;综合管廊雨水舱会增大杨梅河出口的峰值流量,在20年一遇降雨条件下杨梅河出口达到最大出流能力。     

不同粒径砂岩力学特性试验研究

为探究不同粒径砂岩长短期力学行为的差异,对取自某水电建设工程现场的粗、中、细三种粒径大小的砂岩进行了短期三轴压缩、三轴渗透以及蠕变力学试验。研究表明：相同围压下,粒径越大的砂岩,其强度、粘聚力及变形量越小;同等粒径下,长短期强度值及变形量随着围压升高呈线性增加;砂岩的渗透率在屈服阶段快速增加并在破坏前后达到最大值,粒径越大的砂岩,其渗透性越强;相同偏应力和围压下,砂岩的稳态蠕变速率随着粒径增大而减小;同等粒径和围压下,稳态蠕变速率随着偏应力增加而呈指数型函数增长;同等粒径和偏应力下,围压越大,其稳态蠕变速率越低;三种粒径砂岩在长期荷载作用下对应的强度较短期值下降了40豫耀60豫,内摩擦角和内聚力则分别较短期值降低了40豫和40豫耀50豫,其中,中砂岩下降幅度最大。     

孔压影响下坝基开挖岩体卸荷力学特性试验研究

坝基开挖及库水渗透作用严重影响重力坝的长期安全运行。以某重力坝坝基开挖卸荷岩体为对象,进行开挖卸荷作用及孔压渗透影响下的室内力学试验,开展了确定同组试样所能承受最大围压的预加载分析,得到了孔压渗透影响下不同卸荷速率条件的应力-应变曲线和分级卸荷应力-体积应变曲线。研究结果表明:卸荷阶段,应力-应变曲线斜率随着卸荷速率增加而逐渐升高;卸荷速率越快,试样发生破坏时的围压值越小,峰值强度提高,弹性模量劣化;相同孔压作用下,卸荷速率越快,孔压渗透量越大,试样侧向体积扩容现象越明显;破坏时产生的张拉裂纹越多,脆性破坏特征显著,孔压渗透降低了试样裂隙面上的有效应力,是加速试样发生破坏的主要因素。     

基于边界面的多隔舱筒形基础动力分析

多隔舱筒形基础作为近几年发展起来的海上风电基础结构,其稳定性能极大影响了风机的安全性。为研究在极端风荷载作用下筒形基础的稳定性,通过AR自回归线性滤波法,模拟脉动风速谱,采用边界面弹塑性动力本构模型,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维动力数值分析,研究了该结构在随机风荷载作用下的沉降发展、动力响应和周围土体的孔压变化情况。研究表明:随着加载持续,筒体的水平位移、转角和竖向位移均呈缓慢增长趋势,同时筒体顶部水平位移远大于端部位移;基础内部土体孔压受分舱板影响,发展缓慢且小于基础外侧土体孔压,沿筒径方向,越靠近筒壁孔压越大;基础外侧,土体孔压随埋深的增加逐渐减小,最后趋于稳定;土体的应力路径逐渐向临界状态线靠近,但并未达到破坏标准。     

MPS方法数值模拟减摇水舱晃荡流动问题

船舶六自由度运动中,横摇对船舶的安全性影响十分严重。船舶在设计建造时,常采用减摇装置来降低横摇运动对船舶安全的危害。其中,减摇水舱因其结构简单、经济、便于养护,且在低航速和无航速情况下仍能发挥作用而得到广泛应用。为对减摇水舱的减摇特性进行深入研究,该文采用基于半隐式移动粒子MPS方法开发的MLParticle-SJTU求解器,对三维矩形被动式减摇水舱的晃荡进行了数值模拟。首先,进行了减摇水舱和舱内液体晃荡在外界激励下耦合运动的模拟,并将模拟结果与空舱横摇情况进行对比,证明了减摇水舱的减摇效果。然后,将减摇水舱横摇角的历时变化曲线与实验结果进行对比,验证了MPS方法的适用性与可靠性。最后,分析了减摇力矩与外界激励力矩之间的相位差,解释了减摇水舱的工作原理。     

水岩作用下红层泥岩蠕变特性

水岩作用下软岩蠕变特性的研究对真实水环境下岩土工程长期稳定性有重要影响。采用轴压水压联合作用岩石流变试验系统,研究了滇中地区红层泥岩不同应力及水压作用下的蠕变特性。研究结果表明:岩样在低应力水平下以瞬时变形为主,蠕变曲线主要呈现出衰减蠕变和稳态蠕变阶段特征,仅在最后一级应力条件下出现加速蠕变阶段;相同水压条件下,泥岩瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率均随加载应力的增大而增大,且水压越大,应力对泥岩蠕变的影响越敏感;相同应力条件下,泥岩蠕变应变、蠕变速率以及蠕变变形占总变形的比例均随水压的增大而增大,且应力水平越高,增大水压对泥岩蠕变特性的影响越显著。研究成果对于保证真实水环境下软岩工程安全具有重要的工程意义。     

胶凝粗粒土强度及损伤特性探讨

通过对胶凝粗粒土进行单轴和三轴压缩试验,分析胶凝掺量和围压对材料强度特性的影响,以Weibull统计损伤模型为基础,进而探讨围压及胶凝掺量对损伤发展的影响。试验结果表明:胶凝粗粒土的单轴抗压强度和变形模量随胶凝掺量的增大而增大,随胶凝掺量的进一步增大,强度及变形特性敏感性降低;三轴压缩试验的结果显示,随围压的增大,抗剪强度增长较快,应力-应变曲线形态呈现出应变硬化特性;胶凝掺量的增加,对粘聚力c值影响显著,对内摩擦角值影响不明显;围压越大,材料宏观破坏时达到的损伤量越大;胶凝材料掺量越高,相同应变下材料损伤量越小,达到宏观损伤破坏时对应的应变量越大。     

振动沉管碎石桩在堤防软土地基中的应用

为研究振动沉管碎石桩处理淤泥质土的可行性,文章以珠三角某堤防为例,通过堆载和碎石桩的现场试验,得出碎石柱加固堤段在恒载阶段孔压消散明显大于压载段,其沉降量和沉降速率均大于压载段,固结效果更好的结论;通过Geo-Studio软件进行岩土参数敏感性数值分析,得出内摩擦角对堤防的稳定性影响较粘聚力更大的结论.结果 表明,采用...     

土与结构接触面等应力增量比路径单剪试验力学特征分析

利用大型单剪仪(DHJ-30)进行含砾粗砂与结构物接触面的等应力增量比路径单剪试验,研究加载路径及初始法向应力对接触面物理力学性质的影响。研究结果表明,土与结构物接触面的破坏强度与加载路径无关,破坏与否与加载路径相关,只有加载路径与抗剪强度包线相交才会发生破坏;初始法向应力一定时,加载应力增量比越小则剪应力~切向位移关系曲线初始阶段的切向劲度系数越大,法向压缩量峰值越大,最终剪胀量越小;加载应力增量比一定时,初始法向应力越大则剪应力~切向位移关系曲线初始阶段的切向劲度系数越大,法向压缩量峰值越大,最终剪胀量越小。     

灯泡贯流式水轮发电机组轮毂油箱供油方式探讨

灯泡式水轮发电机组的轮毂油主要起到润滑和密封作用,尤其是要保证轮毂内油压高于轮毂外水压,防止流道水进入轮毂,以保证机组健康运转。但水电站常碰到轮毂供油故障或未能及时发现轮毂密封泄漏造成损失等情况,笔者对目前多数水电站采用的轮毂油箱供油方式与推荐的供油方式进行了分析比较,以供水电站相关同行进行参考。     

长距离输水管线中空气阀和单向调压搭联合作用的水锤防护研究

在长距离输水管线中,当事故停泵时,管路会产生负压,甚至出现汽化和液注分离,如果不采取合理的防护措施会导致管线的破坏。根据气液两相水锤计算模型,结合某长距离输水工程水力过渡过程数值模拟计算,利用空气阀和单向调压塔联合作用,并配合泵后阀门2阶段关闭的防护技术,有效地控制了管线的水锤压力。     

调压室位置对调保参数的影响

调压室位置是影响调保参数的主要因素之一。本文针对上、下游调压室及不同调压室型式进行理论分析及数值计算,证明了调压室对调保参数的作用存在最佳临界位置和变化不敏感的范围。该结果有利于地下厂房和调压室的布置,缓解了洞室围岩稳定和过渡过程之间的矛盾。究其物理本质,在机组特性、导叶关闭规律确定的前提下,蜗壳最大动水压力及尾水管最小压力主要取决于压力管道的水击压力、调压室涌浪水位两者的叠加。由于管道总长度不变,移动调压室位置,两者所起的作用相互消长,所以并非调压室越靠近厂房对调保参数越有利。     

马来西亚沐胶电厂的冷却取水泥沙问题计算研究

为了保证马来西亚沐胶电厂的冷却取水安全,需要研究解决蓄水池的泥沙淤积、清淤频率、冷却水的泥沙含量和粒径,以及引水通道过流能力等一系列泥沙问题。本文首先采用基于非均匀不平衡输沙数学模型对蓄水池的泥沙淤积问题进行了研究,给出了淤积量、淤积沿程分布、冷却水的含沙量和泥沙粒径,对蓄水池清淤频率提出了建议。针对电厂冷却蓄水池引水通道Bedengan河道的过水能力不足问题,提出了以展宽为主和以挖深为主的两种改造方案,给出了改造后的Bedengan河道的断面形态、底标高、底宽等设计参数。研究成果解决了沐胶电厂的工程泥沙问题,对保障电厂运行和冷却用水安全有重要实际意义。     

Numerical study of flow fluctuation attenuation performance of a surge tank

The surge tank plays an important role in ensuring the stability of a water flow standard device. To study the influence of the structure and the working conditions on the regulator performance of a surge tank, a three-dimensional model, including a surge tank, the pipeline and the water tank is built, and the VOF model in the Fluent software is used to simulate the two-phase pulsatile flow in the surge tank. The inlet flow pulsation is defined by the User Defined Functions （UDF）, and the outlet flow is set to be a free jet. By calculating the flow fluctuation coefficient of the variation uader different flow conditions, the influences of the pulse frequency, the initial water level height and the baffle plate structure on the flow stability are analyzed. It is shown that the surge tank has a good attenuation effect on high-frequency pulsations, there is an optimal initial water level to suppress the fluctuations, the round holes of the baffle should ensure a certain circulation area with the bore diameter small enough to have the necessary damping effect.     

曝气池内气液混合液两相流力学特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉多相流模型和标准k-ε湍流模型对曝气池内气液两相流力学特性进行数值模拟研究。速度与压力的耦合求解采用了Phase-Coupled-SIMPLE算法。对中心截面(y=0.025 m)在(z=0.71 m)测线上垂向速度的模拟值与实验值进行比较分析,结果吻合较好。结果表明:当表观气速较小时,进口气速对曝气池上方混合液的垂向速度影响较小;当表观气速较大时,整个曝气池中心截面(y=0.025 m)呈现中心垂向速度大,靠近两侧边壁的垂向速度小,且为负值的规律。并且发现气泡在上升的过程中由于附壁效应容易产生摆动,表观气速越大,附壁效应越明显。通过对曝气池内不同气体速度下池内力学特性的分析研究,以期对曝气池的设计运行提供参考。     

基于线性规划法的屋面雨水箱容积优化模型

屋面雨水收集系统中最重要的可变参数是水箱容积,影响水箱优化容积的因素包括降雨数据、屋顶汇水面积、居民人数以及用水量等。采用线性规划法构建了对屋面雨水收集系统水箱体积的优化模型,以整个雨水系统寿命周期内的可变经济收益最大化作为目标函数,确定约束条件,并以南昌市为例进行模拟。模拟结果表明:不受市场调控的过低水价会使系统没有经济效益;屋顶汇水面积和月用水量是水箱优化容积的限制因素,在住宅楼中一般是屋顶汇水面积;在高层建筑和商业建筑上设置屋面雨水收集系统的经济效益会更高。     

敞开式分离鳃沉淀池试验

为比较分离鳃在沉淀池中不同布置形式下的水沙分离效果,对敞开式分离鳃沉淀池进行了静水与动水的沉降试验。试验结果表明:分离鳃均匀悬挂在沉淀池中的布置形式,水沙分离效果要好于靠近溢流口布置和远离溢流口布置两种形式。敞开式均匀布置分离鳃沉淀池在静水沉降时出水浊度随时间变化包含浊度迅速减小与浊度缓慢减小两个阶段;在动水沉降时,水力负荷对浊度变化有很大的影响,水力负荷愈小,该沉淀池的出水浊度值愈小,而当水力负荷达到一定值时,则与普通沉淀池处理高浊度浑水的效果一样,故可以通过控制水力负荷,得到不同的出水浊度,实际应用中选择一个合适的水力负荷是确保出水质量的一个重要条件。     

采用单向调压塔防止长输水管道水柱分离的研究

通过水锤防护的计算分析，提出了用单向调压塔防止“水柱分离”的技术方案，研制了经济实用的调压塔结构并组织了技术实施，取得了良好的水锤防护效果。现场试验结果与理论分析结果非常吻合，证明了本文采用的理论分析方法及提出的水锤防护措施是正确的。     

大型油轮压载水舱泥沙淤积试验研究

大型油轮进入多沙水域,停泊港口置换压载舱水时,舱内泥沙沉积于压载水舱底部,很难清淤。将压载水舱分隔为边舱和底舱,以边舱作为泥沙沉淀舱,泥沙沉淀后较清水体流入底舱,是治理压载水舱泥沙淤积的一种新方法。以舟山地区多沙水域为背景,建立了大型油轮压载水舱边舱正态水沙模型,提出了压载水舱不同结构形式下的压舱水流动方法,通过多组次试验,分析了油轮压载水舱泥沙的淤积过程和沉积规律,优选了压载水舱泥沙落淤最佳结构方案。研究结果表明:通过油轮压载水舱边舱沉淀泥沙的方法,能使压载水中约80％的泥沙落淤,仅20％左右泥沙进入底舱。该模型试验为国内首次大比尺船舶压载水舱泥沙淤积试验,可为大型油轮、船舶压载水舱泥沙治理提供新的途径。