基于VOF模型的平底结构等速入水砰击载荷研究

水下生产装备等大型结构物在下放安装过程中,在穿越飞溅区阶段结构物底部将受到巨大的波浪砰击载荷。为了准确预测结构所能承受的临界波浪砰击载荷,以判断水下装备穿越飞溅区时是否存在潜在危险,通过重叠网格技术模拟二维平底结构等速冲击入水运动,基于有限体积法与VOF模型求解气液两相流动的雷诺时均方程,研究平底结构入水过程中砰击载荷特性,并对结构物入水过程中气液两相流动变化情况进行分析。分析结果表明:平板垂直等速入水时,结构受到的砰击压力随下放速度的增大而增大,所产生的峰值压力也逐渐增大;当平板具有横向移动速度时,不同横纵速度比对砰击压力的影响较小,砰击压力随时间的变化曲线基本相同,仅峰值压力略有差异;入水角度对平板落水时所受的砰击压力影响较大,当入水角度小于4°时,砰击压力随入水角度的增大而减小,当入水角度大于4°时,砰击压力随着入水角度的增大而增大,入水临界角度为4°;平底结构入水全过程中气液两相流动变化情况较为复杂,主要分为形成空气泡、产生气液射流及水面恢复稳定3个阶段。所得结论可为判断水下结构物能否安全穿越飞溅区提供指导。     

弹性蓄能激发式旋冲钻井工具特性分析

为了解决常见旋冲钻井工具冲击力小、冲击频率不稳定的问题,设计研制了弹性蓄能激发式旋冲钻井工具,将弹性蓄能元件与凸轮机构结合,利用螺杆马达带动齿形冲击振套碰撞产生冲击载荷。基于冲击动力学理论建立了该工具冲击参数计算模型,利用钻井泵和高速力值采集系统开展了工具样机冲击特性测试研究。试验结果表明,该工具冲击载荷曲线形态接近于简谐曲线,冲击载荷峰值为18~43 kN,冲击载荷随弹性元件压缩量增大而增大;冲击频率为25.7~37.2 Hz,可以由钻井泵流量调节。根据力学分析和试验结果,该工具冲击频率为螺杆马达转速与冲锤齿数的乘积,且与钻井液排量成正比;冲击载荷与弹性元件压缩量呈幂函数增加关系,与齿面变形系数呈幂函数增加关系;冲击作用时间与冲锤质量呈幂函数增加关系,与齿面变形系数呈幂函数减小关系。弹性蓄能激发式旋冲钻井工具的研制和特性分析,为旋冲钻井技术的发展提供了一种新的设计方法和技术思路。      

弹性平底海洋结构物入水冲击的仿真分析

在仿真的基础上对弹性平底海洋结构物入水冲击问题进行了研究,讨论了结构的弹性特征对于结构冲击压力峰值的影响,并利用正交试验分析了各个参数对于冲击压力峰值影响的程度,得出了一些有意义的结论。     

可极化球体的椭圆极化特性

电磁波的椭圆极化参数描述了电磁波的矢量特性。计算了在大地电磁场源作用下，均匀半空间中可极化高阻球体、不极化高阻球体、可极化低阻球体、不极化低阻球体的椭圆极化参数，分析对比了相同条件下可极化球体与不极化球体的割面特性和断面特性。结果表明在相同条件下，极化球体具有明显异常的形态特征。     

平板与圆锥体入水的三维数值模拟

对平板和圆锥体的入水砰击问题进行了三维数值模拟。研究了砰击压力在平板底面各测点上的分布、与圆锥底升角的关系、以及与结构物入水速度的关系。比较了平板自由落体入水和等速入水产生的砰击压力峰值、平板和0°底升角圆锥最大压力峰值的关系。结果表明计算与试验较为吻合,三维数值模拟技术可以有效地用于结构物砰击压力研究。     

改进的直叶片垂直轴风机气动特性及参数影响

对现有的直叶片垂直轴风机叶片进行改进,提出新型螺旋型垂直轴风机,基于计算流体动力学方法研究风机的气动载荷特性,进行参数影响分析。建立风机三维气动载荷计算模型,验证模型的可靠性。计算分析新型螺旋型风机的气动载荷特性,分析扭曲角、叶尖速比、弦长和桨距角等参数对螺旋型风机气动特性的影响,确定最佳风机结构参数。研究表明,与直叶片风机相比,螺旋型风机有效减小瞬时转矩系数的波动性,并提高功率系数。该研究为螺旋型风机叶片结构参数的选择提供了理论指导。     

组合载荷下海上风机塔架受力特性数值分析

研究组合载荷下海上风机塔架的受力特性。基于江苏启东海域6 MW海上风机资料，采用GH Bladed软件开展组合载荷下海上风机塔架的受力特性数值模拟，得到以下主要结论：与风载荷作用相比，在风载荷+波浪载荷组合作用下，风机塔架基础底面所受峰值剪力提升72.0%，峰值弯矩提升8.3%；波浪载荷对基础所受剪力和弯矩的影响显著，在相对波高为4时，基础底面所受相对剪力和相对弯矩分别为3.04和1.44；与风载荷作用相比，在风载荷+地震载荷组合作用下，风机塔架基础底面所受峰值剪力提升76%，峰值弯矩提升21%。研究成果可为启东海域海上风机设计及施工提供理论支撑。     

海底柔性软管敷设方案可行性研究

以渤海某油田8英寸（1英寸=0.025 4 m）柔性软管敷设项目为例，对不同敷设方式、常用船舶资源的软管敷设能力和柔性软管敷设参数进行分析和计算，研究敷设方案的可行性。给出在软管敷设过程中使软管所受拉力较小且满足软管最小弯曲半径要求的入水角度范围，并分别给出在软质海床和硬质海床上弃管时的注意事项。研究内容可为以后类似软管敷设项目提供有效的借鉴。     

瞬变潮汐流对单锚摇臂系泊系统大幅度回转运动的影响

为了研究瞬变潮汐流产生的单锚摇臂系统大幅度回转问题,针对单锚摇臂系统的特点建立水下摇臂和连接锚链的系泊模型。进一步基于三维波浪势流理论计算浮式生产储卸装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)的水动力参数,在时域内耦合分析稳态环境载荷作用下的FPSO-chain-yoke多体运动特性,并且与模型试验数据进行对比,验证了算法的准确合理性。在此基础上,对不同角度的FPSO风(流)载荷系数进行样条插值分段得到其与迎风(流)角度的关系表达式。结合单点系泊系统的风向标效应,实现对瞬变潮汐流问题的求解,重点讨论了大角度方向变化的潮汐流对单锚摇臂系泊系统回转运动的影响。通过与实际观测数据进行对比,验证了算法的工程应用价值,以期能够为探究单锚摇臂系统运动和轴承磨损行程提供研究方法和理论依据。     

用数值分析法确定液力传动钻机的运行参数

针对很难通过解析法或作图法准确求出液力传动钻机全部运行参数的问题，利用数值分析方法对YB900型变矩器和PZ12V190B柴油机特性曲线进行了三次样条插值，把特性曲线当作分段解析函数，根据变矩器原理及相似理论，导出了变矩器输出扭矩与传动比的一元函数关系式。由于函数的单调性，涡轮扭矩又取决于载荷，故对任一载荷便可迭代出相应的传动比，从而可确定变矩器和柴油机联合工作点和全部系统运行参数。计算实例表明，这个方法不仅方便可行，而且可为优选钻井参数，提高系统效率及运行经济性提供参考。     

冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究

为研究动载侵入岩石过程中的裂纹演化规律和预测裂纹长度,根据牛顿第二定律及波动理论,建立了岩石在冲击过程中的最大冲击力与冲击速度间的数学模型,结合岩石在静载作用下的载荷与裂纹长度间的关系,建立了岩石在冲击载荷作用下形成裂纹的长度预测模型,并利用离散元数值模拟方法研究了岩石动态破碎过程中裂纹的形成与扩展特征以及冲击速度对裂纹长度的影响规律。分析研究发现,岩石在冲击力作用下形成的裂纹以张性裂纹为主,且径向裂纹向着岩石自由表面扩展,侧向裂纹从损伤区萌生并向岩石内部逐渐扩展;径向裂纹长度和侧向裂纹长度均与冲击速度呈幂函数关系,数值模拟结果与理论模型结果基本吻合;冲击速度由15 m/s增大至35 m/s,岩石的破碎范围和破碎深度逐渐增大,形成的径向裂纹长度从3.47 mm增大到9.03 mm,侧向裂纹长度从7.29 mm增大到14.58 mm。研究结果为研究岩石的动载侵入断裂和动态破碎机理提供了理论依据。      

甲烷液滴在其蒸气中自然对流的换热特性

LNG液舱喷雾预冷过程中,液滴在其蒸气中自然对流蒸发换热模型计算结果与实验数据之间存在着较大的差异。为此,采用计算流体力学的方法,建立了静止饱和LNG单液滴在其蒸气中自然对流蒸发模型,据此研究不同温差下液滴的蒸发传热特性,并与低温球模型进行对比,定量分析喷雾预冷过程中"吹拂效应"对液滴自然对流蒸发换热过程的影响。研究结果表明:①随着温差的增大,液滴表面蒸气喷发速度、温度边界层厚度、液滴换热量线性均增大,努塞尔数线性减小;②随着角度的增大,液滴局部蒸气喷发速度、局部努塞尔数逐渐减小,温度边界层厚度逐渐增大;③吹拂效应的影响与蒸气喷发速度呈正比;④因为吹拂效应,同等条件下液滴的换热量和努塞尔数相比于低温球要更小,温度边界层厚度相比于低温球要更厚,并且吹拂效应的影响随着温差的增大而线性增大。结论认为,该研究成果有助于更加准确地预测LNG液舱预冷过程,对完善液滴蒸发理论模型及指导LNG液舱预冷操作都具有重要的意义。     

新型自激脉冲射流装置实验与现场应用

自激脉冲射流能够产生较大的瞬时冲击能量,可进一步提升破岩、解堵和储层改造等作业的效率,提高油气井单井产量。利用流体附壁效应,结合反馈通道强制转向理论,研制了一种新型自激脉冲射流装置。采用有限元数值模拟方法对装置的结构参数进行模拟,分析了不同结构参数对装置性能的响应特性。开展了冲击性能物理模拟评价实验,对装置在不同排量下产生的脉冲射流冲击载荷进行了测试,并进行了大尺寸花岗岩表面冲蚀物理模拟实验,根据花岗岩试样内部和表面的破坏形态得出了脉冲射流破岩特性。使用该装置在新疆油田石西区块实施储层改造,通过现场试验对比增产效果。研究结果表明：进出口比对喷枪内腔压力幅值敏感性最强,反馈通道截面积比对装置频率敏感性最强;随着排量的增加,装置出口脉冲射流冲击载荷极值、幅值均近线性增长,且冲击载荷有明显的脉冲波动效应,充分说明了附壁摆动腔有着良好的波动性能,可产生规律的脉冲射流;随着排量增加,自激附壁脉冲射流装置的喷枪内腔压力呈相应增长趋势,且具有良好的脉冲波动特性,喷枪内腔压力波动幅值随排量增加呈近线性增长;自激脉冲射流引发的花岗岩试样振动较连续射流更为强烈,加速度变化幅值为常规射流的3.4倍;新装置产生的脉冲射流具有更强的岩石表面破碎能力和岩石内部径向破坏能力;与不使用该装置的压裂施工相比,储层增产改造效果显著提高。研究结果不仅可为新型自激脉冲射流装置的研发提供新思路,同时可为压裂储层增产改造提供技术支持。     

复合式水力旋流器内部流场的数值模拟

复合式水力旋流器是综合了动态和静态旋流器各自优点的新型水力旋流器.采用修正的RNGK-ε模型,对复合式水力旋流器内部流场进行了数值模拟.计算结果与实验所得数据基本吻合,证明了模型和算法的正确性.其中,轴向速度和切向速度的数值模拟结果和实际测量结果非常接近;在器壁附近的外自由涡区,切向速度的数值计算与实际测量数值基本一致.对径向速度分布规律的模拟将有助于对旋流器的结构及性能的分析,所建立的数学模型和所使用的计算方法为进一步研究复合式水力旋流器的分离机理、流场特性及结构优化设计提供了一条有效的途径.     

三维地震资料解释中时深转换方法对比分析及应用

时深转换是将地震资料解释成果转化为地质成果的一个重要环节,以油田勘探实际资料为例针对几种不同的时深转换方法进行深入讨论。对于常速成图分区分深度进行幂函数拟合是最理想的办法,对于变速成图在实际应用中需根据不同的资料特征和实际情况选用不同的变速成图方法。通过变速成图计算误差的对比阐述各种方法的优缺点和适用范围,进而根据不同的地质及地震反射条件,选择合适的时深转换方法,以达到最佳的地质成果。     

自升式风电安装平台半浮态作业安全性评估

为解决目前在规划风场海域作业的自升式海上风电安装平台不能满足现有的海上风机设备安装的问题,提出一种自升式风电安装平台半浮态作业方案.采用Sesam的Wadam模块进行波浪载荷预报,计算得到不同吃水下的波浪载荷.分析风力方向为90°(横风)时,不同吃水下的风电安装平台的风载荷和流载荷.在此基础上,建立整船有限元模型,采用...     

冲击作用下岩石破碎的动力学特性及能耗特征研究

为了研究冲击钻井中岩石破碎的难易程度及动态破碎规律,基于固有缺陷的损伤原理,建立了岩石动态破裂强度、破碎时间和破碎能耗的理论模型,通过砂岩的霍普金森压杆冲击压缩试验分析了其破坏强度、破坏时间及破坏过程中的能量耗散特征。分析研究发现,试验结果与模型计算结果基本吻合,砂岩的动载强度、破碎时间和破碎能耗均与应变率之间呈幂函数关系,随着应变率在60~115 s-1范围内增加,砂岩的动载强度与静载强度相比增大了1.33~1.83倍,破碎时间从84 μs迅速缩短至52 μs,且应变率越大,岩石破坏后的碎块尺度越小、破碎能耗值越大。研究结果可为衡量岩石动力破碎的难易程度及提高冲击破岩效率提供参考。      

连续管注入过程弯曲回弹分析

连续管抽出卷筒以及进入注入装置的生产过程中,经历了一系列的弯曲与回弹。采用应力学方法对连续管弯曲回弹进行了相关分析,根据材料特性,重点对连续管弯曲后成塑性进行了研究。推导出了计算连续管弯曲回弹处于弹性变形阶段的最小弯曲半径的计算公式。公式表明,连续管弯曲回弹最小弯曲半径与壁厚成反比,与外径成正比。最后指出,得到的计算模型可以为连续管现场应用提供一定的理论依据。