斜坡堤护面块体安放过程及稳定性数值模拟

李绍武，王家汉，柳　叶

（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：利用基于光滑粒子流体动力学（SPH）数值方法的开源软件DualSPHysics进行数值试验，模拟斜坡式防波堤上扭王字护面块体的安放过程，研究护面块体的稳定性。首先以DualSPHysics为平台开发了护面块体的安放功能模块，并对护面块体的安放效果进行评价，实现了按指定安放密度进行块体安放。块体安放完成后，在数值波浪水槽中研究护面块体在规则波作用下的运动及受力响应，并分析护面块体失稳的典型形式和失稳标准，通过系统化的参数分析，探讨波浪要素及块体安放等因素对块体稳定性的影响。结果表明，扭王字块体稳定性系数的取值范围为21.64 ~ 26.20，是规范推荐值的1.5倍左右。块体鼻轴方向的相对位置主要影响单个块体的上举脱出失稳，鼻轴方向在坡面上赤平投影图越分散，护面块体层整体上越稳定。坡面坡度变缓时，护面块体层整体下滑趋势减弱，但更易发生上举脱出失稳；单个块体缺失会加大周围块体的上举失稳概率。

关键词：DualSPHysics模型；扭王字块体；安放；块体稳定性；防波堤

扭王字块体斜坡堤越浪量的数值研究

孙大鹏1，孙文豪2，修富义3，刘　飞4

（1. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连　116024；2. 水发规划设计有限公司，山东 临沂　276037；3. 沈阳吉天置业有限公司，辽宁 沈阳　110165；4. 长春中海地产有限公司，吉林 长春　130117）

摘　要：鉴于《港口与航道水文规范》（JTS145—2015）中缺少扭王字块体斜坡堤越浪量的计算方法，因此开展相关的试验研究对规范发展和工程设计具有重要意义。在基于FLUENT软件的数值模型中，通常采用多孔介质区中的系数C来模拟斜坡上扭王字块体的消浪作用，而确定每种工况系数C的取值是实现数值模拟斜坡堤越浪量的关键。借助物模试验率定出所有工况的系数C，通过单一变量分析，发现C值随波陡、相对水深、相对坡肩宽度及相对块体尺寸的增大而增大，随相对堤顶超高及相对胸墙高度的增大而减小，综合以上影响因素，得出不同坡度下系数C的计算关系式。研究成果不仅丰富了规范内容，还为相关的工程设计提供了参考。

关键词：坡度；扭王字块体；斜坡堤；越浪量；FLUENT

软刚臂单点系泊系统静力特性分析

李　鹏1，孙丽萍1, 2，马　刚1, 2, 3，马荣太4，王宏伟1, 2

（1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨　150001；2. 工业和信息化部深海工程装备与技术重点试验室，黑龙江 哈尔滨　150001；3. 哈尔滨工程大学烟台研究院，山东 烟台　265501； 4. 中海油研究总院有限责任公司，北京　100028）

摘　要：软刚臂系泊系统是一种利用压载质量为浮式生产储油装置（FPSO）提供回复力的单点系泊方式。为快速准确地评估多铰接组成的软刚臂系统的受力状态，避免应用高复杂度的有限元软件，进而快速完成优化设计等任务，建立一种静力计算方法十分有必要。因此，针对由刚臂（YOKE）、柔性系泊腿和压载舱组成的刚柔多体系统，以分解组合的方式，提出一种二维静力计算方法，用以研究FPSO软刚臂系泊系统的静力特性。该方法主要依靠软刚臂的几何构型，在有限铰接约束下，形成非线性静力平衡方程，建立了压载舱式水上软刚臂单点系泊系统二维静力平衡计算算法。采用OrcaFlex、SESAM等软件开展了理论和数值对比分析，同时与系泊试验结果开展验证分析。对比结果表明，文中所提方法计算精度较高，可为软刚臂单点系泊系统的研究提供可靠支持。

关键词：浮式生产储油装置；单点系泊；软刚臂；静力特性；数值

柔性气囊助浮法拆除导管架技术研究

冯士伦1, 2，朱晓宇1, 3，李　焱1, 2，唐友刚1, 2

（1. 天津大学 建筑工程学院，天津　300350；2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津　300350；3. 中国船级社青岛分社，山东 青岛　300457）

摘　要：文中研究采用柔性气囊助浮法起升导管架的拆除技术。浅水海域浮吊进入困难并且拆除导管架的施工费用昂贵。考虑气囊产生的浮力巨大、价格便宜及连接结构方便的特点，针对即将拆除的QK18-2 平台，设计气囊助浮起升导管架的技术方案。考虑水深确定导管架吃水，设计气囊与导管架的连接方式。针对导管架在位起浮状态，计算带有气囊的导管架系统幅频响应RAOs，考虑不同的海洋环境参数，计算分析风浪流作用下导管架系统6个自由度的时域运动响应，文中提出了多点系泊控制导管架运动的合理系泊方式。研究结果表明，气囊助浮法拆除导管架技术具有较高的工程实用价值，针对目标导管架平台设计的气囊助浮拆除技术方案，具有费用低、风险小及不需使用浮吊的技术优势，该项技术可以在导管架平台拆除中推广应用。

关键词：导管架；气囊助浮法；稳性；垂荡；横摇

自升式钻井平台桩靴踩脚印应对措施对比研究

杨　柳1，贺林林1, 2, 3，冯楚杰1，刘旭菲4

（1. 重庆交通大学 河海学院，重庆　400074；2. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；3. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆　400074； 4. 浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州　310018）

摘　要：基于现有规范与文献研究提出的减小桩靴踩脚印附加响应的相关措施，首先基于耦合欧拉—拉格朗日（CEL）定量分析了传统纺锤形桩靴与新型桩靴在不同工况条件下插桩时桩靴地基土体相互作用机制，明确了最不利桩靴踩脚印工况时的插桩偏心距与桩坑深度。基于该最不利工况条件，对比分析了新型六孔莲蓬形桩靴、试踩法与地基钻孔法3种桩靴踩脚印应对措施的适用性与有效性。结果表明，相较于传统纺锤形桩靴，采用六孔莲蓬形桩靴使桩靴倾斜角与桩腿偏移距分别降低了33.13%和48.26%，说明结构在位稳定性更高。此外，通过对比分析得出，采用最佳设置方式进行试踩与钻孔处理后再进行桩靴贯入时，桩靴受到的水平滑动力峰值与桩腿RP1处弯矩峰值相较于未处理时分别降低了29.47%、29.17%、34.7%、37.7%。可见，3种应对措施均能有效降低桩靴踩脚印后产生的不利影响，提高桩靴结构的在位稳定性。以最终减小不利附加响应程度作为评定标准：地基钻孔法＞新型六孔莲蓬形桩靴＞试踩法，由于地基钻孔法与试踩法均需增设额外机械设备及施工工序，大幅提高了工程造价，因此，在实际工程中，需要根据实际情况恰当选择应对措施。研究成果可为实际工程中应对桩靴踩脚印工况响应提供一定参考与借鉴。

关键词：踩脚印工况；新型桩靴；VHM曲线；试踩法；地基钻孔法

基于多尺度有限元的海上升压站脚靴式桩套筒连接结构分析研究

张　伟1，张　坤1，姜贞强2, 3，孙震洲2, 3，王永发2, 3，吕国儿2, 3，陈杰峰3

（1. 华能辽宁清洁能源有限责任公司，辽宁 沈阳　110000；2. 浙江省深远海风电技术研究重点实验室，浙江 杭州　311122；3. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州　311122）

摘　要：脚靴式海上升压站导管架的桩套筒与主导管的连接结构是关键荷载传递部位。整体梁系有限元模型无法反应局部板型结构的失效状态；截断板系有限元模型则受制于边界条件的合理性，结果不够精确。文中基于某工程海上升压站，建立不同精细化范围的多尺度有限元模型及不同边界条件的截断模型，对结构屈服失效及屈曲失效复核的同时论证了局部网格

对计算精细程度的影响及截断模型对边界条件的敏感性；此外，研究了轭板板厚及应力比对屈曲失效的敏感程度，为今后海上升压站脚靴结构不同阶段的设计、优化提供参考和借鉴。

关键词：多尺度有限元；海上升压站；截断有限元；屈曲失效；边界条件

基于ABAQUS的卷管式铺管法管道变形敏感性分析

余　杨1, 2，刘泽生1, 2，余建星1, 2，韩梦雪1, 2，胡少谦1, 2，许伟澎1, 2，张春迎1, 2，颜铠阳1, 2，徐盛博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 天津市港口与海洋工程重点实验室，天津　300072）

摘　要：卷管式铺管法在海管铺设中的应用愈发广泛，在铺设作业中管道会发生几何非线性变形，导致出现复杂的力学性能变化。针对管道在上卷、退卷过程中的屈服变化过程，通过弹塑性理论进行分析，推导出管道退卷后残余轴向应力的解析解；随后利用有限元软件ABAQUS建立模型实例，对比解析解与有限元模型，两者的计算结果基本吻合。基于上述有限元模型，研究上卷时的张力和退卷时的后张力对椭圆度、截面轴向应力和剪切应力的影响，并进行敏感性分析。模拟结果表明张力和后张力变化会影响管道截面的变形程度，退卷后截面上残余的轴向应力远高于剪切应力，并且通过敏感性分析，得到了残余椭圆度、残余应力随张力和后张力变化的规律。研究可为卷管铺设过程中张力和后张力的选择提供参考和借鉴。

关键词：卷管式铺管法；弹塑性分析；有限元模拟；张力；后张力；椭圆度；应力

细长输流管内外流耦合振动特性研究

鲍　健1, 2，陈正寿1

（1. 浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山　316022；2. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛　266100）

摘　要：管内流动会影响输流管的振动响应，目前关于输流弹性管涡激振动方面的研究较少。基于计算流体力学（CFD）方法，开展内外流对细长输流弹性管振动特性影响的研究。首先在不考虑内流的情况下将弹性管涡激振动数值预报结果与模型试验数据进行对比，验证了数值方法的可靠性。再者考虑内外流耦合作用情况下，对不同内流流速下细长输流弹性管振动位移时—空分布、顺流向最大平均偏移、振动轨迹、内部横向涡的形成与分布等进行了对比分析。结果发现，与外流流速相比，内流流速的增加虽然难以改变弹性管的主振模态，但对沿管体的振动强度影响显著。顺流向最大偏移处管体运动轨迹发生明显的变形和跳跃。在剪切外流和均匀内流对弹性管的联合作用下，沿管跨方向模态间能量转换频繁，伴随着间歇性出现或消失的沿弹性管传播的行波组分，这主要归因于复杂的双重流固耦合系统（外流—管体，内流—管体）。在内流以附加质量力、离心力和科氏力形式的激励下，弹性管内二次流现象明显。在振动过程中，内部横向涡沿管壁生成、脱落并逐渐散布于整个横截面。

关键词：涡激振动；内流；流固耦合；二次流；弹性管

海上大直径钢管桩打桩过程中桩周土强度弱化研究

孟祥然1，刘　润1，练继建1，贾沼霖2，刘玉飞3，王小合3

（1. 天津大学 建筑工程学院，天津　300350；2.  河北工程大学，河北 邯郸　056038；3. 华电重工股份有限公司，天津　300010）

摘　要：海上大直径钢管桩打桩过程中，桩周土体受到强烈扰动而发生强度弱化，掌握桩周土体强度弱化规律对于准确预测打桩过程、保证工程安全具有重要意义。为研究土体强度弱化规律，开展了环剪试验模拟打桩对桩周土体的扰动，测试土体强度随剪切速率的变化规律，建立了描述土体强度弱化规律的拟合公式，引入到打桩分析软件中。研究结果表明：土体的强度折减程度不仅与土体本身的性质有关还受到土体的埋深和剪切速率的影响，埋深越深土体强度折减程度越低，剪切速率越高土体强度折减越高，在打桩分析中可采用这里推荐的线性折减方法来模拟不同深度处土体强度的折减规律。

关键词：海上风电；大直径钢管桩；打桩分析；土体强度弱化；线性折减方法；残余比

基于IDDES方法的冲刷地形海底管道绕流数值模拟

曲孟祥1，杨　博1，梁丙臣1, 2，刘　欣1，张　嶔1

（1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛　266100；2. 山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛　266100）

摘　要：近年来，海底管道对于近海油气工业中碳氢化合物的运输十分重要，预测海底管道周围水动力特征对于研究管道损坏机理具有重要意义。基于Spalart-Allmaras改进延迟分离涡模拟（improved detached eddy simulation，简称IDDES）湍流模型，利用开源OpenFOAM求解器计算单管冲刷过程中4个特征阶段管道周围水动力特征。在数值模拟中先计算了无圆管时均匀来流充分发展后的流场，依据该流场中进口流速分布设定有管道时的边界层及进口边界条件。通过将最终模拟结果与前人试验数据及数值模拟结果进行对比，表明了该模型计算结果相对于k-ε 模型及LES模型更加贴合试验结果，验证了定义边界层方法的可靠性及OpenFOAM模型在预测管道周围流场的适用性。模型计算结果显示，随着冲刷坑深度的逐渐增加，管道下游回流区会经历一个大幅缩减又逐渐扩大的过程，且逐渐关于圆管中心所在水平线对称；通过对不同冲刷阶段尾涡形态的分析表明，冲刷前期并没有涡脱产生，中期已经有产生涡脱的趋势，后期出现了明显的且较为稳定的涡脱。

关键词：海底管道；冲刷；边界层；旋涡脱落；IDDES；OpenFOAM 

集成于方箱防波堤的双气室振荡水柱波能装置转换效率研究

郭权势1, 2，邓争志1, 2，万占鸿2

（1. 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙　410014；2. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山　316021）

摘　要：为实现建造、运行和维护等方面的资源共享，将振荡水柱（oscillationg water column，简称OWC）波能转换装置与现有海工结构集成耦合，已成为目前海洋波浪能转换利用的热点问题。以集成于方箱防波堤的双气室OWC装置为研究对象，借助开源代码平台OpenFOAM和造/消波工具箱waves2Foam，采用流体体积法（VOF）捕捉自由面和6 自由度（6DOF）动网格求解器模拟垂荡运动响应，对在不同规则波作用下，中墙相对宽度、中墙相对吃水对装置波能转换效率及水动力特性的影响进行数值研究。结果表明，较大的中墙相对宽度能够增强装置的波能转换效率（ξtotal(max)=73%）、降低结构物的相对垂荡位移并对装置前后气室内水柱的振荡幅度与压强变化产生影响；增加中墙相对吃水能显著提高气室在中高频波段波能提取效率（ξtotal(max)=78%），并显著拓宽气室的高效频率带宽（0.9≤ω2h/g≤2.2）。

关键词：波浪能；振荡水柱；水波动力学；波能转换效率；动网格

波浪作用下基于不同负载的一种Savonius型水轮机捕能性能研究

黄炎晨1, 2，黄方平2，刘　静1

（1. 江西理工大学，江西 赣州　341000；2. 浙大宁波理工学院，浙江 宁波　315100）

摘　要：通过水轮机捕能是当前常用的海洋能利用方式之一。桨叶作为水轮机关键部件，其性能一直是研究的重点。针对目前波浪条件下带负载运转的Savonius型水轮机相关捕能性能研究较少的情况，采用数值仿真方法，结合对应工况条件的物理试验，研究了一种Savonius型水轮机在不同波浪环境下带负载运转的捕能性能。采用Star-CCM+仿真软件，建立数值波浪水池，设置环境参数，划分网格调整变量进行水轮机运转的水动力模型数值研究。在造波试验水池中利用推板改变波浪周期与波高，进行水轮机运转的物理试验。采集在不同负载下水轮机桨叶的转速和扭矩数据，计算并分析功率等参数，总结变化趋势，评价捕能效果。研究发现水轮机在1.6 s的波浪周期条件下，桨叶承受1.5 N·m负载时达到最佳捕能效果，其功率为23 W。为实际海域中水轮机桨叶的结构设计研究和相关工程应用提供参考。

关键词：Savonius型水轮机；捕能性能；海洋能；波浪周期；桨叶；扭矩系数；能量转换效率

上游水库群运行对长江口淡水资源的影响及未来趋势分析

丁　磊1，缴　健1，杨啸宇1，曾　明2，王逸飞1

（1. 南京水利科学研究院，江苏 南京　210029； ２． 长江水利委员会水文局，湖北 武汉　430010）

摘　要：上海市饮用水主要来自长江口的3大水源地——陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库，盐水入侵是长江口淡水资源利用的重要威胁。随着以三峡工程为代表的长江上游水库群的建成和运行，入海流量发生变化。在分析及预测长江入海流量的基础上，通过长江口实测盐度数据及数学模型，以淡水资源面积占比、水源地取水口平均盐度为指标，对长江口盐水入侵受上游水库群运行的影响开展研究，并对未来变化趋势进行分析。研究结果表明：三峡蓄水后入海流量小于15 000 m3/s的频率明显减少，而小于10 000 m3/s的极低流量几乎不再发生。未来10 a枯季入海流量较现在大体仍为增加趋势，尤其是12月平均流量增量可达2 400 m3/s。三峡工程的运行并未使得长江口盐度时空分布特征发生根本性变化，但盐度场会有一定改变。在三峡水库蓄水的影响下，除11月外其他枯季月份南支、南港、北港淡水资源面积均有增大，南支1、2月增量超过南支面积的40%，南北港则在3月增量最为明显；在11月水源地取水口盐度约有0.05‰的升高，其他月份均为下降，1月变化最为明显，3大水源地取水口盐度下降0.4‰～0.5‰。在未来10 a中，12 月盐水入侵与现状相比将会有进一步减弱，水源地取水口盐,度进一步下降0.2‰左右。研究可为未来长江口水源地运行提供参考和依据。

关键词：长江口；盐水入侵；长江上游水库群；入海流量；水源地；淡水资源

万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆流场数值模拟

陈锋华，赵　敏

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

摘　要：耐压结构是深海潜器的重要组成部分，但在深海的高压环境中却存在内爆的风险。为研究陶瓷耐压结构水下内爆的流场特性，使用针对可压缩多相流问题开发的开源代码，采用直接数值模拟，应用自适应直角网格，对两种压力条件下的耐压结构水下内爆进行了数值模拟。通过低压模拟结果与理论解和试验值比较，验证了模拟方法的有效性，进而开展万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆模拟。分析发现：陶瓷耐压结构发生内爆后，其内部气腔存在多次压缩—反弹现象，深海环境压力越大则反弹越不明显；气腔反弹阶段，在结构外部将产生数倍于深海环境压力的冲击波，且传播速度接近声速；冲击波压力峰值

与到球心距离呈负指数幂函数关系；在相同深海环境压力下，耐压结构外部监测点的冲击波压力与球体半径呈正比例关系。

关键词：水下内爆；万米级深海陶瓷耐压结构；冲击波；可压缩多相流；直接数值模拟

球柱壳耐压舱体极限承载力研究

张洪彬1, 2, 3，徐会希1, 2, 3

（1. 中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳　110016； 2. 中国科学院 机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳　110169；3. 辽宁省水下机器人重点实验室，辽宁 沈阳　110169）

摘　要：耐压舱设计是水下机器人的核心技术之一，其极限承载力研究是核心中的核心。针对球壳封盖加柱形壳体耐压舱，现行标准对于初始导入缺陷数值的确定往往过于保守，对于耐压舱体数量较多的无人潜水器来说，过大的设计质量是总体设计所无法接受的。首先采用装配体整体建模策略，建立复合屈曲的受力模型，将三大非线性影响因素同时引入到极限承载力研究中，提升了计算精度。然后分别针对确定性缺陷和非确定性缺陷结构开展极限承载力研究。最后，提出以0.23%的初始缺陷导入尺度作为球壳封盖加圆柱壳体的耐压壳体缺陷导入参数，给出了导入尺度的计算方法，并借助水压试验对上述参数的准确性进行验证。

关键词：水下机器人；极限承载力；0.23%初始缺陷导入尺度；球柱壳耐压舱体；非线性屈曲

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

苏　强，吕海宁，杨建民，孙鹏飞

（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海　200240）

摘　要：海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤，其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论，开展了底质土力学特性试验研究，建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数，在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比，验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真，分析与评价其行走性能。结果表明，采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考，为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。

关键词：履带式；深海采矿车；行走性能；深海软底质；深海矿产

深海潜标布阵方式对海面声源定位精度的影响

张志伟1，王红萍1，张　旭1，上飞飞2，马少华3

（1. 中国人民解放军91550 部队43分队，辽宁 大连　116023；2. 中国人民解放军91650部队，广东 广州　510320；3. 中国人民解放军92556部队，浙江 舟山　316000）

摘　要：针对深远海条件下海面声源目标定位精度与海底潜标布阵方式相关性问题，建立了基于到达时间差（TDOA）体制的被动定位模型，根据设计工况讨论了海底潜标布阵原则，利用蒙特卡洛数值模拟方法分析了声源位于阵内、阵外以及阵元失效3种情况下定位精度分布情况。仿真结果表明：当4个潜标呈矩形分布时，仅东、西两侧较小区域未覆盖，覆盖范围内平均定位精度约为34.1 m。随着阵元数增加，在中心区域附近定位精度显著提高，阵型外侧定位精度由内向外逐渐下降。当目标位于对角线方向靠近顶角附近时，模型交汇解算性能较差，定位精度大于500 m。当1#潜标失效时，测量海域西北角方向定位精度较差，但精度优于25 m的区域要比5#潜标失效情况大。7#潜标失效时，定位精度与各阵元均正常的情况接近。研究结果为海面声源测量系统设计、阵型选择、精度评估等海洋工程应用提供理论依据。

关键词：深海潜标；布阵方式；到达时间差；蒙特卡洛模拟；定位精度