“流花”张力腿平台内孤立波载荷特性

该文在重力式密度分层水槽中,对"流花"张力腿平台在内孤立波作用下的载荷特性进行了系列实验研究。同时,基于两层流体中内孤立波的Kd V、e Kd V和MCC理论,建立了该台的内孤立波载荷理论模型。研究表明,该平台的水平力主要为立柱与沉箱的拖曳力和惯性力,其中拖曳力系数与雷诺数Re数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC数之间呈幂函数关系,而垂向力主要为立柱底部的Froude-Krylov力。结果进一步表明,基于理论模型的计算结果与实验结果吻合良好,而且随着内孤立波振幅的增大,水平力和力矩均近似呈线性增加。     

孤立波对淹没平板作用力的经验预报模型

该文通过物理模型实验和理论推导,研究了孤立波对淹没结构的载荷经验预报问题。基于狭道流动假设,推导了孤立波中临界淹没平板的Froude-Krylov力,得到了表征水平波浪力、垂向波浪力和倾覆力矩等水动力载荷系数有关的无量纲复合因子。考虑波高和淹没深度对水动力载荷系数的影响,采用基于六分力天平组测量得到的孤立波经过平板时受到的水动力载荷,分别拟合了用复合因子和简单因子表征的经验公式,结果表明,基于复合因子给出的拟合公式较为简洁。基于无量纲复合因子,进一步考虑平板淹没深度的影响,在实验给定平板厚度和长宽比的条件下,建立了平板所受波浪载荷系数随孤立波相对波高、相对板长和相对淹没深度变化的经验公式。结果表明,在临界淹没状态下,随着相对波高增大,水平波浪力和垂向波浪力的首个极值系数均变大,其第二个极值系数均变小;俯仰力矩系数的前两个极值系数变大,而第三个极值系数变小;随着相对淹没深度增大,水平波浪力和垂向波浪力的极值系数均变小,俯仰力矩的第二个极值系数也变小。     

螺旋侧板截面形状对Spar平台涡激运动的影响研究

处于深水中的Spar平台两侧不断产生周期性漩涡脱落,极易诱发涡激运动,缩短平台疲劳寿命。为探究不同截面形状螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台涡激运动的影响,采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数流动状态下附加不同截面形状螺旋侧板的平台进行研究,并与光滑平台进行对比,分析其水动力系数及尾涡发放特点。研究表明:螺旋侧板在有效抑制平台升力系数的同时,还会增加阻力系数,圆形截面侧板对平台升力系数的降幅最大,阻力系数增幅最小;螺旋侧板的存在使漩涡脱落频率整体减小,从单一主频发放变为主频和次频发放;圆形截面侧板的漩涡脱落点距离平台最远,发放最为迟缓;在研究范围内,发现圆形截面侧板抑涡效果最佳。     

螺旋侧板厚度对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响

Spar平台因其特殊的深吃水立柱式结构,在来流影响下极易发生涡激运动。为探究不同厚度螺旋侧板对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响,基于CFD方法,针对不同厚度螺旋侧板,对平台进行了数值模拟并详细分析平台的升阻力系数、压力场及涡量场等流场参数。结果表明:螺旋侧板可有效抑制涡激载荷,且随厚度增加,升力系数幅值先增加后减小,阻力系数逐步减小;在研究范围内,螺旋侧板厚度为0.10 D时,升力系数幅值最小,阻力系数与原型平台在同一范围内,对涡激载荷的抑制效果最好。     

作用在方形斜桩上的波流力

结合北仑港二期工程进行了方形斜桩上波流力测定,本文分析了测量结果,给出了作用于方形直桩、斜桩上规则波加水流的力及不规则波力的计算方法,其中包括纵向力公式(Morison公式)和横向力公式计算桩力时的各个水动力系数以及不规则波力的分布等。所得结果不仅对北仑港工程,而且对其它类似工程均有参考作用。     

规则波和水流共同作用下圆柱受力的研究

本文通过实验研究,基于Morison方程和线性波理论,探讨了在规则波和水流共同作用下作用于垂直圆柱上的横向力,它与正向力的关系以及它对总力的影响。根据KC数的重新定义值,文中给出了合力系数C_l、速度力系数C_d、惯性力系数C_m、升力系数C_L及升力主导频率与KC数的相关图。结果表明,在一定KC数的范围内,横向力对总力的影响不应忽略;速度力系数C_d、惯性力系数C_m及合力系数C_l与重新定义的KC数有着良好的相关性。     

垂荡板漂浮式风力机Spar平台对强迫振荡的动态响应分析

为研究垂荡板对漂浮式风力机Spar平台强迫振荡的动态响应,基于Umaine-Hywind Spar平台承载的5MW风力机整机模型,应用数值计算方法对附有不同数目垂荡板的漂浮式风力机Spar平台进行水动力计算,得出结构运动的幅频特性。结果表明:随着垂荡板数目的增多,Spar平台的动态响应越小,附加质量越大,但其动态响应并未按线性关系减小,虽有降低平台动态响应的效果不明显;相同垂荡板数目的几种情况下,板间距对整个结构的影响不可忽略。     

下凹内孤立波流场与横置细长潜体相互作用特性的实验研究

该文在大型重力式分层流水槽中开展横置细长潜体遭遇下凹内孤立波的流场和作用力特性的实验研究,采用PIV技术测量内孤立波及其与潜体相互作用时的流场变化,同时利用测力传感器测量潜体所受水平与垂向力的变化,分析入射波振幅以及潜体潜深变化对作用力的影响情况。研究表明:内孤立波诱导流场的整体特征表现为,在上下两层流体中形成强烈的水平剪切流,上层流速大于下层流速且方向相反,在波前后分别形成下沉与上升流动;潜体所受水平力主要由内孤立波诱导流场决定,而垂向力则由密度场与流场变化的耦合作用决定;在横置细长体遭遇内孤立波过程中,其后部产生的涡旋结构导致高密度流体团的滞留继而逐渐扩散,它是决定沿内孤立波传播方向横置与平行放置细长潜体时两者垂向作用力差异的重要原因。     

小尺寸双柱式桥墩波浪力的数值分析

Morison 方程适用于小直径孤立柱的波浪力计算,对于双柱式桥墩的波浪力计算已不能直接采用 Morison 方程。为了能利用 Morison 方程求解双柱式桥墩的波浪力,定义了双柱式桥墩前柱、后柱及整体结构的波浪力干扰系数。采用线性波浪理论,利用推板式造波方法模拟线性波,将 ANSYS Workbench平台作为 FLUENT 和 ANSYS 的数据传递平台,对深水环境下双柱式桥墩受到的波浪力以及波浪场作用下双柱式桥墩的结构变形进行单向流固耦合数值模拟。数值模拟结果表明,双柱式桥墩前、后柱波浪力的干扰系数在一定柱距范围内均随柱距的增大近似的成线性增大,当柱距超过一定值后趋于稳定。由于双柱间存在相位差,双柱墩波浪力的总干扰系数以及双柱墩的结构变形却随着双柱中心距的增大而减小。这些变化曲线为实际工程中深水桥梁双柱式桥墩的波浪荷载计算提供了一种更为简便的算法。     

具有垂荡板的Spar平台流体力学特性的数值模拟研究

该文采用大涡模拟的方法对具有垂荡板的Spar平台振荡运动进行了模拟与计算。验证了数值模拟方法的可靠性,并分析研究了垂荡板的厚径比与运动振幅对其水动力系数的影响。结果表明,阻尼系数与垂荡板Keulegan–Carpenter(KC)数呈正相关关系。对垂荡板周围的涡结构进行研究,验证了垂荡板周围的涡结构可分为交互式、独立式与互逆式三类。三种不同的涡结构取决于垂荡板的厚径比与数。在此基础上提出三种涡结构的分类界限,总结出不同涡结构情况下,Spar平台无因次阻尼系数的经验公式。     

海洋内孤立波作用下张力腿平台动力响应特性

基于三类内孤立波理论KdV、eKdV和MCC的适用性条件,将张力腿简化为非线性梁模型,采用Morison和Froude-Krylov公式计算张力腿平台的内孤立波动态载荷,结合浮体有限位移时域运动方程,建立了内孤立波与张力腿平台相互作用的理论模型。以东沙群岛附近海域某实测内孤立波为对象,对典型张力腿平台(ISSC-TLP)在内孤立波作用下的动态载荷、运动响应以及张力腿张力的变化特性进行数值分析。研究表明,内孤立波不但对张力腿平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度的纵荡位移,还会显著增加张力腿的张力。因此,在张力腿平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

植物带影响下孤立波沿程波高衰减特性试验

鉴于近岸植被对孤立波的阻力效应能有效降低其波能,开展综合考虑根茎叶影响的植物带消波试验,探究植物带影响下孤立波沿程波高衰减特性。当孤立波非线性大于0.11时,茎作用下孤立波沿程波高衰减特性与指数函数以及幂函数规律并不一致。当淹没度为0.67时,根茎共同与茎单独作用下孤立波沿程波高衰减趋势基本一致。当淹没度小于0.67且孤立波非线性不小于0.30时,茎叶作用下孤立波沿程波高服从指数函数以及幂函数衰减规律。非淹没情况下,随着分布密度的减小,孤立波沿程波高衰减强度减小,植物带消波边界效应减弱。研究表明,相比根茎,叶对孤立波沿程波高衰减特性影响更大。根茎叶以及分布密度对孤立波沿程波高衰减特性的影响与淹没度和孤立波非线性有关。     

孤立波对浸没平板作用的二维边界元数值分析

该文采用二维边界元方法研究孤立波与浸没固定式平板的相互作用,研究相对波高、相对宽长和相对浸没深度对水动力载荷的影响规律。通过孤立波在台阶上传播与分裂及孤立波中平底上浸没固定式平板的波浪载荷等算例,验证了基于势流理论与完全非线性自由表面条件的二维边界元计算方法的正确性。系列数值模拟结果表明,孤立波作用下浸没平板的上举力随相对板长的增大而增大,而向下的垂向力增大趋于一常数。与平底情况相比,浸没平板下的斜坡会使得垂向力增大。通过分析波形、流场速度分布以及板表面压强分布等角度分析了水动力载荷的变化机理。     

FPSO内孤立波载荷实验及其理论模型研究

该文在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下FPSO载荷特性开展了系列实验,研究表明,FPSO的内孤立波载荷包括船体水线表面的摩擦阻力和Froude-Krylov力两个部分。并基于两层流体内孤立波的KdV、eKdV和MCC理论,建立了这两个载荷成分的理论预报模型。系列实验结果表明,摩擦阻力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为反比例关系,而且基于所建立理论预报模型所获FPSO的水平力、垂向力及其力矩计算结果与系列实验结果一致。该项研究以系列实验结果为依据,为海洋工程FPSO的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型。     

珠江干流的湍流扩散和弥散过程及其模拟

本文主要讨论污染物在珠江干流扩散和弥散过程及其模拟。 弥散模式中弥散系数是关键数值。根据国外经验公式计算,珠江干流垂向混合系数为10~(-2)m~2/s,横向系数为10~(-1)m~2/s,与国外实测和模拟的结果相似。纵向弥散系数为10~3至10~5m~2/s,与国外类似河流比较偏高。 对西、前、后航道弥散情况进行数值模拟,纵向弥散系数采用10至65m~2/s,计算值与实测值接近。对伶仃洋深槽弥散情况进行数值模拟,纵向弥散系数采用10~4m~2/s,计算值与实测值相近。依此看来,国外经验公式用于珠江干流段,须予以修正,西、前、后航道纵向弥散系数可用10~2m~/s,黄埔至虎门口航道可用10~4m~2/s。     

内孤立波环境下柱体的受力特性

针对以往孤立波对柱体作用研究多只针对柱体的整体受力开展,少有研究精细获取柱体不同部位受力特性的问题,借助三维大涡模拟(LES)数值波浪水槽,通过提取柱周流场及压强分布,得到柱体所受压差阻力及黏滞力的垂向分布,对柱体在孤立波环境中的受力特性进行了分析,并采用多元线性回归分析,构造综合影响参数分析了柱体受力特性,构建了柱体受力系数经验表达式。结果表明:上下层水体中方柱所受压差阻力约分别为圆柱的1.5倍和3.5倍;作用于柱体上的黏滞力比压差阻力小1或2个数量级,可忽略流体的黏性效应;综合影响参数与相对波幅正相关,与上下水深比负相关。     

开孔垂荡板的水动力特性试验研究

Spar平台的垂荡板一般会有开孔以安装垂直立管等生产构件。为研究开孔对垂荡板水动力特性的影响,该文采用强迫振动试验方法对不同开孔率的垂荡板的附加质量系数和粘性阻尼系数进行了研究,对相同开孔率不同开孔孔径垂荡板的水动力特性进行了比较分析。通过三块开孔垂荡板的多板试验及与单块开孔垂荡板试验结果的比较,得到了开孔垂荡板水动力系数随板间距的变化情况。研究成果对实际工程中垂荡板的优化设计以及相关数值计算具有一定的指导意义。     

作用于群桩上的波浪力

通过规则波及不规则波的水槽试验,测定了作用在单桩上、双桩横排、纵排以及4根桩方阵排列时各组成桩上的波浪力,分析了波浪作用下桩力水动力系数,纵向力及横向力间关系,得到了群桩中各组成桩的桩力群桩系数变化规律。     

湍黏系数对浅滩海域三维风暴潮的影响

利用WRF大气模式和基于有限体积法的三维海洋数值模型FVCOM,建立了连云港及其附近浅滩海域的三维风暴潮流数学模型。运用k-ε和MY-2.5两种不同的湍流模型,对"韦帕"台风作用下的三维风暴潮流进行了数值模拟,并对计算得到的三维风暴潮流流场结果和垂向湍流黏性系数结果进行了对比分析。计算分析结果表明,两种不同湍流模型计算所得的风暴潮增水差别很小,可以忽略;但在风生流较强的时间段内,MY-2.5湍流模型计算所得的水平流速流向沿垂向分布并不一致,而k-ε湍流模型的计算结果较好,与实测分层潮流资料更为符合。研究结果表明,垂向湍流黏性系数沿水深的垂向分布对浅滩海域风暴潮流水平流速的垂向结构至关重要,建议选用k-ε湍流模型计算垂向湍流黏性系数和湍流扩散系数。     

规则波作用下倾斜桩柱的受力研究

本文通过实验研究,测试了水平桩柱及倾斜桩柱在规则波作用下的波浪力。基于Morison方程和Stokes二阶波理论,分析研究了不同埋深情况下水平桩柱的受力及其水动力系数C_D、C_M随K_C数的变化规律;分析研究了不同倾角情况下,倾斜桩柱的受力及其水动力系数C_D、C_M随K_O数的变化规律,同时还探讨了在同一倾角情况下,桩柱在一端出水和全部埋于水下时,水动力系数C_D、C_M的差别。