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《海洋工程》2018年第5期中文摘要
日期:2018年10月10日 15:19:59点击数:字号:【

不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

于定勇,赵建豪,黄东燕,钟延超

(中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100)

摘要:为研究倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,本文使用Fluent软件,采用大涡模拟对雷诺数Re=3 900下的6种不同倒角半径的三维柱体进行了研究。在模型验证基础上,分析了由方柱渐变到圆柱过程中后方流场速度的时均特性及瞬时涡脱落变化规律,给出了不同倒角半径下的升、阻力系数值及无量纲涡脱频率St数。分析结果表明:平均阻力系数随倒角半径的增加而降低,在倒角半径为0.2D时下降速率最大,相较方柱降幅达到50%;升力系数均方根在倒角半径为0.1D~0.2D时变化最显著,减小约93%;St数随倒角半径增加而增大,在倒角半径为0.4D时可达到最大值;回流区长度随倒角半径的增加呈先增大后减小的趋势,其长度在倒角半径为0.2D时达到最大;尾涡宽度在倒角半径为0.0D最大,后随倒角半径增加逐渐下降,且当倒角半径大于0.2D以后变化不大。本文研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。

关键词:倒角半径;绕流;大涡模拟;时均流场;涡脱落形态

 

不同运动自由度组合串列双圆柱涡激振动数值模拟

王凯鹏,赵西增,段松长

(浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021)

摘要:基于自主研发的紧致插值曲线CIP (Constrained Interpolation Profile)方法数学模型,对均匀来流条件时不同运动自由度组合下的串列双圆柱涡激振动问题开展二维数值模拟。模型针对雷诺数Re=100,质量比m*=2的串列双圆柱涡激振动问题,选取上、下游圆柱不同运动自由度组合工况进行模拟。重点分析圆柱的升阻力系数、运动位移随折合速度Ur变化的响应。研究表明:当上游圆柱双自由度运动时,随着下游圆柱运动自由度的增加,下游圆柱对上游圆柱涡激振动响应的影响减弱;当下游圆柱双自由度运动时,随着上游圆柱运动自由度的增加,上游圆柱对下游圆柱涡激振动响应的影响变强。研究结果表明圆柱运动自由度组合形式对串列双圆柱涡激振动的影响不可忽略。

关键词:串列双圆柱;CIP方法;涡激振动;运动自由度

 

圆筒型FPSO阻尼结构的阻尼性能研究

童波1,季欣洁2, 3,王浩2, 3,唐友刚2, 3

(1. 中国船舶工业集团公司 第七〇八研究所,上海200011; 2. 天津大学 建筑工程学院,天津 300072; 3. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072)

摘要:针对圆筒型海上储油装置FPSO,研究其不同类型阻尼结构的阻尼性能,以便有效减小此类结构的垂荡运动。提出U型和倒U型两种不同的圆筒型FPSO阻尼结构型式,采用CFD方法模拟浮体的强迫运动,计算分析阻尼结构的阻尼特性,对比了传统垂荡板结构、U型阻尼结构、倒U型阻尼结构的阻尼性能,详细分析阻尼结构的不同参数包括高度、筒体间距、开孔情况等三个因素对于阻尼特性的影响,基于CFD方法,分析了不同阻尼结构阻尼形成的机理。计算分析表明,倒U型阻尼性能最好,U型和倒U型阻尼结构与筒体间距增大后阻尼增大,阻尼结构高度增加或开孔增加后阻尼降低。

关键词:圆筒型FPSO;阻尼结构;CFD方法;阻尼系数

 

开孔率对明基床上开孔沉箱波浪反射系数影响的数值研究

蔡郁,孙大鹏,赵沛泓,吴浩

(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:开孔率是开孔沉箱波浪反射系数的重要影响因素,迄今为止关于开孔沉箱的物模试验研究成果(包括《防波堤设计与施工规范》)中,开孔率μ通常以线性关系反映在开孔沉箱波浪反射系数的计算关系式中,适用范围为0.2~0.4。但当μ<0.2或μ>0.4时,开孔率μ对波浪反射系数Kr的影响规律尚需进一步的研究探讨。现借助二维数值波浪水槽,在扩大了的开孔率取值范围内,模拟不规则波与可渗明基床上开孔沉箱的相互作用。结果表明:在0.2≤μ≤0.4的范围内,用线性关系描述开孔率μ对波浪反射系数Kr的影响是合适的;在μ>0.4时,数模值和物模试验拟合的经验关系式的趋势是一致的;在μ<0.2时,开孔沉箱反射系数Kr随开孔率μ的减小而增大,用物模试验拟合的经验关系式及《防波堤设计与施工规范》中计算公式的线性关系来描述开孔率μ对反射系数Kr的影响是不恰当的。研究成果对开孔沉箱消浪机理的深入认识和开孔沉箱结构的优化设计具有重要意义。

关键词:不规则波;明基床;开孔沉箱;开孔率;反射系数

 

基于二维连续小波变换的颗粒物数字粒径方法研究

郭立恒1,刘海江2

(1. 浙江大学 海洋学院,浙江 杭州 310058; 2. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

摘要:对于海岸工程的研究而言,测定泥沙、砾石、卵石等颗粒物的中值粒径具有重要的研究意义。近年来,许多学者逐渐将统计学方法应用于分析泥沙等颗粒物的粒径大小及其级配分布,小波变换是该研究领域时新的统计计算数学方法之一。由于一维连续小波变换(1D-CWT)在估算颗粒数值粒径方面存在一定的局限性,本研究基于二维连续小波变换(2D-CWT),提出了新的颗粒物粒径统计学分析方法,用于估算筛分良好的颗粒物中值粒径。以玻璃珠、卵石块和砾石三类不同性质的颗粒物构建数字粒径实验分析样本,对新方法进行了测试和验证。研究表明基于2D-CWT的数字粒径分析方法能够快速、便捷地估算出筛分良好的颗粒物的中值粒径,且计算结果准确、稳定。相较于基于1D-CWT的数字粒径分析方法,2D-CWT方法在颗粒物数字粒径分析方面有着更高的计算成功率和更广的适用性。

关键词:颗粒物数字粒径;二维连续小波变换;图像分析;中值粒径;筛分良好颗粒物

 

振荡剪切流作用下钢悬链线立管非线性动力分析

张博强,郭海燕,刘震

(中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100)

摘要:钢悬链线立管(SCR)的非线性动力响应会在复杂的海洋环境下发生改变。以钢悬链线立管为研究对象,采用细长柔性杆理论,考虑波浪与振荡剪切流联合作用,建立钢悬链线立管运动方程并进行有限元离散,在时域中求解,编写相应计算程序,通过算例研究钢悬链线立管在波浪与振荡剪切流联合作用下的动力响应变化规律。将振荡剪切流与一般剪切流进行对比,得到突发海况下振荡剪切流对钢悬链线立管动力响应的影响规律,为复杂海洋环境下的工程设计提供依据。

关键词:钢悬链线立管;振荡剪切流;有效张力;曲率

 

基于并行计算的海洋平台谱分析疲劳筛选技术研究

李洛东,刘成名,梁园华

(中国船级社 海洋工程技术中心,北京 100007)

摘要:为了得到海洋平台疲劳失效风险最大的焊接区域,提出了以有限元网格单元应力为基础的谱分析筛选方法,并开发了程序。程序采用并行计算架构,单次完成数万个单元的累积损伤度/疲劳寿命计算,并通过有限元软件以云图方式显示疲劳寿命。采用该程序计算双浮筒半潜式平台的疲劳寿命。结果表明,该型平台疲劳失效风险较高的区域为立柱与上壳体下浮体连接对角线转角区域、浮筒中纵舱壁与立柱连接区域。并行计算方法的引入,大大缩减疲劳损伤度计算的分析时间,采用22核心的CPU,时间缩短为原来的1/18.5,17小时完成全平台外壳单元谱分析计算。

关键词:并行计算;疲劳谱分析;海洋平台;失效风险;疲劳寿命

 

非线性海床土深水缓波型立管动力响应分析

王孟义1, 2,白兴兰1, 2,谢永和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:缓波立管的结构形式能够有效改善立管触地区的动力响应,达到保护立管触地区的目的。基于集中质量法和考虑土体弱化的非线性海床土模型,用等效浮力的方法将缓波立管浮力段简化,并在OrcaFlex中建立传统钢悬链线立管和缓波立管的集中质量模型进行分析,考虑立管结构形式、浮力段长度和浮力段起始位置的影响,得到立管静态位形、触地点张力和弯矩、立管贯入深度以及触地点海床阻力等结果进行比较。结果表明:浮力段的配置会提高立管静态弯矩分布水平,但合理的缓波立管设计能有效改善立管触地区的动力响应,抑制海底沟槽的发展,达到保护立管触地区的目的。

关键词:管土作用;缓波立管;集中质量法;动力响应

 

基于颗粒流理论的深海玄武岩破碎机理研究

李力1, 2,高贺朋1

(1. 中南大学 机电工程学院,湖南 长沙 410083; 2. 深海矿产资源开发国家重点实验室,湖南 长沙 410012)

摘要:针对深海玄武岩岩芯样品在高围压下难以破碎获得的问题,理论分析了金刚石与岩石的相互作用。采用单轴与三轴压缩实验,获得了模拟深海玄武岩的力学参数;基于颗粒流理论,建立了深海玄武岩线性平行黏结颗粒流数值模型,数值模拟高围压下金刚石颗粒破碎玄武岩的过程,获得了金刚石与玄武岩相互作用的动态力学响应规律,初步阐明金刚石破碎玄武岩机理。研究表明,玄武岩颗粒间黏接破坏主要为拉伸失效,玄武岩与金刚石接触力体现为周期应力,玄武岩产生间歇式裂隙扩散。理论分析与仿真结果基本吻合,表明建模与仿真的正确性,为深海便携式取芯钻机设计提供了理论基础与技术依据。

关键词:玄武岩;颗粒流理论;单颗粒金刚石;钻进力

 

高孔隙多金属硫化物海水围压下切削模拟

李艳1, 2,王梓勋1,栗梦丹1

(1. 中南大学 机电工程学院,湖南 长沙 410083; 2. 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室,湖南 长沙 410012)

摘要:考虑海底多金属硫化物(SMS)高孔隙率、受围压等特点,首先采用蒙特卡罗法,结合APDL语言建立了具有一定孔隙率的SMS矿体几何模型,然后基于LSDYNA仿真平台建立了高海水围压条件下单截齿切削破碎具有一定孔隙率SMS矿体的仿真模型,并进行了相应的数值模拟。研究结果表明:在高海水围压条件下,多金属硫化物的切削难度明显增强,高围压作用使切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大;随着多金属硫化物矿体的孔隙率增大,截齿破碎矿体受到的切削阻力会减小。

关键词:海底多金属硫化物;高海水围压;孔隙率;矿体破碎;截割阻力

 

霍尔锚抛锚深度模型试验研究

韩聪聪,陈学俭,刘君

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116023)

摘要:河床或海床中会布设光缆、管线、隧洞等结构物,如果该水域上有船只抛锚,就要考虑抛锚对结构物安全的影响。通过模型试验探究了霍尔锚在黏土中的抛锚深度,研究了贯入速度、锚重以及土强度对抛锚深度的影响。在模型试验中,用MEMS加速度传感器捕捉锚在土中运动时的加速度,并由加速度积分得到锚的下落速度及对应的下落位移。模型试验结果表明:当霍尔锚以极限速度贯入软黏土中时,17.8 t锚在强度为7.5 kPa土中的贯入深度为4.0 m;42 t锚在强度为8.3 kPa的土中贯入深度为6.7 m。根据试验结果建立了霍尔锚在土中动力贯入时的运动微分方程,分析了作用在锚上的各项受力,并预测了抛锚深度。此外,根据模型试验结果,建立了抛锚深度和锚的总能量之间的经验公式。

关键词:霍尔锚;抛锚深度;黏土;抛锚速度

 

深水波中进动共振的数值模拟研究

赵扩,马小舟,马玉祥,董国海

(大连理工大学 海岸及近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116023)

摘要:进动(precession)共振是一种非线性共振相互作用,2016年才有学者对这一现象进行研究。采用非静压二维自由表面流模型模拟了深水条件下重力波的进动共振现象。通过边界造波的方法产生双色波,分析了触发进动共振的初始条件;探讨了进动共振在小振幅前提条件下发生的简化初始条件。数值模拟分析两组对称测点,对不同测点的波面、能量谱进行对比分析。数值结果表明:非静压二维自由表面流模型可以模拟进动共振现象,并且可以采用双色波作为条件来研究深水五波进动共振现象,进动共振需要一定的能量转化时间,进动共振发生的条件是三波组合的进动频率等于一个系统存在的非线性频率。

关键词:进动共振;双色波;非静压模型;表面重力波

 

印尼ADIPALA海域较长周期波浪统计特征分析

王晋1,俞武华1,夏艳军1,柳淑学2,张昊宸2,李金宣2

(1. 中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北 武汉 430060; 2. 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:对印尼ADIPALA海岸观测的较长周期波浪数据进行了统计分析,给出了不同统计波高特征值之间的关系以及统计特征周期和相对水深的关系;并就波浪统计中的波高分布,采用威布尔分布形式进行拟合,得到波高累积分布;给出了最大波高计算公式,可为工程设计提供参考。

关键词:统计分析;波高统计;威布尔分布;最大波高分布

 

钢悬链式立管出平面运动刚体模态试验研究

付雪鹏,黄维平

(中国海洋大学 山东省海洋工程重点试验室,山东 青岛 266100)

摘要:钢悬链式立管为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。基于钢悬链式立管刚体摆动模型,通过理论分析和模型试验,研究了钢悬链式立管出平面运动的动力学特性,验证了作者此前提出的钢悬链式立管出平面运动的刚体模态特征。研究表明,在海洋环境荷载作用下,波浪力和涡激升力引起的悬链式立管振动不仅有弯曲变形模态,也存在刚体摆动模态。对于钢悬链式立管,刚体摆动将使触地区产生附加弯矩,从而增大了应力、加速了疲劳损伤。

关键词:钢悬链式立管;刚体模态;模型试验;振动测试;出平面运动

 

钢悬链线立管强度可靠性计算研究

张萌1,李智博1,吴剑国2,张国进2,孙政策1

(1. 中国船级社 海洋工程技术中心,北京 100007; 2. 浙江工业大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310014)

摘要:在钢悬链线立管分析中,材料性能、载荷参数、计算方法等都存在着大量不确定性。为考虑不确定性因素造成的影响,采用作用效应-抗力半随机过程构建可靠性模型,并采用极小化变换转化为静态可靠性问题。选用物理含义较为明确的屈服判定准则建立功能函数,通过单样本K-S检验对载荷随机过程的概率特性进行极值统计,提出载荷转化的方法以实现与目标可靠性指标的比对,并引入模型和主观不确定性随机变量。在此基础上采用改进的一次二阶矩法,对立管的强度可靠性进行了计算。结果表明此方法与利用系数方法能够相互印证,可以为立管的可靠性计算提供参考。

关键词:钢悬链线立管;可靠性;作用效应-抗力半随机过程;极值统计;不确定性随机变量

 

深水半潜式平台张拉锚泊系统失效分析

王腾,王晓彤,胡新辉

(中国石油大学(华东) 船舶与海洋工程系, 山东 青岛 266580)

摘要:针对深水半潜式平台在极端工况下张拉锚泊系统失效情况,基于板锚失效上拔过程中位移与承载力的关系曲线,提出在AQWA软件中用非线性锚缆模拟板锚走锚过程的方法,对深水半潜式平台张拉锚泊系统在百年一遇工况下断锚、走锚情况的平台响应、锚缆拉锚力及最大缆张力进行分析。研究表明:断锚时各锚链拉力瞬变,平台迅速发生大距离偏移;走锚时随着板锚的拔出各锚链上的拉力逐渐增大,平台位置逐渐偏移,最后达到平衡状态。单缆断锚时,迎浪向5号锚缆拉力最大;单缆断锚且单锚走锚时,3、6号锚缆拉锚力最大。失效缆超过一根时,平台偏移和单缆最大缆张力均超出规范要求,同时其它锚缆最大拉锚力极有可能出现超过板锚极限承载力的情况,最终造成整个锚泊系统破坏。

关键词:半潜式平台;张拉锚泊系统;走锚;断锚;AQWA

 

荔湾3-1气田深水脐带缆竖直铺设技术研究与应用

侯静1,高原2,石锦坤2,魏伟荣3

(1. 中海油研究总院 工程研究设计院,北京 100028; 2. 深圳海油工程水下技术有限公司 工程技术部,广东 深圳 518067; 3. 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 518000)

摘要:随着海洋油气开发逐步走向深海,深水脐带缆的应用越来越广泛。我国在脐带缆安装工程中仅具备浅水(300 m以内)水平铺设的能力,深水脐带缆的铺设技术在国内尚属空白。本文以荔湾3-1气田深水脐带缆铺设工程为例,首先介绍铺设方法的选取原则,提出深水脐带缆竖直铺设的技术要求,随后基于OrcaFlex软件,对脐带缆铺设进行静力和动力分析,为铺设期间脐带缆长度和张力的监控、作业气候窗的选取提供参考依据。最后制定脐带缆起始抽拉、正常铺设以及末端铺设的作业流程。该工程为我国首次采用脐带缆竖直铺设技术,本文研究成果和计算方法可为国内其它同类工程提供重要借鉴意义。

关键词:脐带缆;竖直铺设;静力分析;动力分析

 


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