海洋结构物空船的质量、质心精度控制技术研究

海洋结构物空船的质量、质心控制是海洋工程项目管理的一项重要内容，其目的是在制造过程中对海洋结构物空船的质量和质心进行精度控制，达到完工后其可变载荷能力满足设计的要求，保证该结构物在海洋中确定的作业要求。业主对海洋结构物空船质量和质心建造精度的要求也非常高，此项要求在招标文件、建造合同以及技术规范中均提出。研究了海洋结构物空船的质量、质心精度控制技术的关键技术，开发了质量、质心数据库的结构设计，采用VB和ACESS实现了该数据库的主要功能；应用尺寸链原理推导了海洋结构物空船质量、质心公差分配计算公式；提出了在建造过程中进行质量、质心误差的动态调整控制方法。部分成果业已用于船厂的生产中。     

内波对海洋立管的作用

海洋内波作为海洋水体中特殊的非线性波动现象,对海洋立管的作用特征尚处研究阶段。本文首先分析海洋内波的成因及研究现状,之后结合我国南海海洋内波多发特性,对该海域内已建立管在内波作用下的特性进行分析,得出合理化建议。随着我国南海深水油气资源开发战略的推进,研究内波对海洋立管的作用具有重大的学术意义和实际应用意义。     

超低频雷达反演海洋内波波长和振幅

利用超低频雷达探测海洋内波是海洋内波探测的新方法,该方法使用1Hz～100Hz频段的电磁波探测海洋内波并反演得到内波振幅和波长等参数.根据超低频电磁波在海水中、海气界面和内波界面处的传播特性以及海洋内波水下结构特点,建立了超低频雷达反演海洋内波振幅、波长模型,并分析了探测的回波信号,仿真结果表明,使用超低频雷达可以反演得到内波振幅和波长.     

内波的相似律及其实验室量化模拟关系

弄清内波的相似律和实验室量化模拟关系,是内波缩比模拟试验研究实用化、解决实际海洋中内波相关科学问题和工程问题的前提.本研究从流动的力学相似条件出发,梳理了内波的相似原理,采用内波预报模型分析了分层结构和分层密度差对内波特征的影响,阐明了分层结构相似是内波相似的必要条件,还分析了内波和表面波相似律的制约关系.实验室中分层密度差一般远大于实际海洋跃层的密度差,内波和表面波相似律不能同时满足,缩比实验模拟结果须根据内波和表面波的特征分别按各自的相似准则换算.     

海洋内波现场测量系统设计与实现

为了研究海洋内波,设计了一种海洋内波现场测量系统.该系统利用水下络车拖动测量平台在水中上下往复运动,在运动过程中测量平台携带的各种测量仪器连续采集与海洋内波有关的各种海洋参数(温度、盐度、深度和海流),并定期通过卫星传输到岸站.该系统可有效地测量各种海洋参数,通过卫星传输测量数据的方法极大地提高了数据的时效性.     

潜艇尾迹内波的实验研究

由于潜艇噪声越来越小,非声探潜技术显得越来越重要.实际海洋中存在温度和盐度梯度,水下航行的潜艇产生的扰动和尾流的坍塌会在海洋中产生内波.由于内波存在时间较长,频率范围大,其特征难以消除,所以内波容易被检测到.本文利用直流电导率检测技术,实验研究了潜艇尾迹内波产生的特点和规律,得出了潜艇尾迹内波与分层流梯度的关系和尾迹内波随时间和空间的衰减规律.在线性分层中内波信号在Nt大约为40时还可以检测到.潜艇尾迹内波在空间上可检测到的区域接近椭圆形.实验研究表明利用直流电导率法检测水下潜艇的尾流和内波是可行的.     

细长海洋结构物涡激振动研究综述

随着世界范围内深海石油开采的需要,近年来关于海洋结构物涡激振动的研究越来越受到重视.虽然此问题在数值模拟和实验方面都已取得了一定的进展,但是还有许多问题尚待解决.同时,新型海洋结构物的引入给涡激振动的预报方法和抑振手段提出了新的挑战.因此,细长海洋结构物的涡激振动仍将是未来几年里备受关注的研究课题.本文在介绍有关涡激振动基本概念和理论背景的基础上,总结了近年来关于以深水立管为代表的海洋结构物涡激振动的研究与进展,包括对现有涡激振动分析工具的分类与评估;对柱体及海洋结构物涡激振动的实验研究;对深水立管与涡激振动相关的疲劳评估准则的研究;海洋结构物的横向、流向及轴向涡激振动的耦合作用研究;关于海洋结构物涡激振动的抑振措施和设备的理论及实验研究.本文着重介绍了计算流体力学方法在海洋结构物涡激振动研究中的应用和进展.最后,对海洋结构物涡激振动相关的研究热点的现状进行了总结并对今后工作提出了展望.     

半潜式海洋平台的周期内波载荷分析

基于半潜式海洋平台基本结构参数和南海海洋环境条件参数,建立海洋周期内波作用下的半潜式平台内波载荷计算模型。采用解析方法,分别给出波长、波高和密度跃层位置等对周期内波载荷的影响及作用力特点,并分析了相位差的影响。对半潜式平台存在较大威胁的海洋周期内波主要是波长较长、振幅较大且密度跃层位置接近于水面的内波;密度跃层位置对平台受力影响较大,相位差对周期内波载荷的影响可以忽略。     

利用TH方法求解海洋内波垂向结构问题

海洋内波是发生在海水内部的一种波动现象,而垂向结构的求解是研究海洋内波的基础.首先,给出了应用Thompson-Haskell算法求解海洋内波垂向结构的主要过程,即海洋内波的色散关系以及垂向速度幅值沿水深分布的计算公式.其次,给出了数值求解海洋内波水平波数以及垂向速度幅值沿水深分布的流程图.然后,基于修正的Holmboe模式密度分布,计算了海洋内波的水平波数、色散关系以及垂向速度幅值沿水深的分布.数值计算表明,TH方法以及提出的色散关系和垂向速度幅值沿水深分布的求解方案,可以给出较好的数值结果.     

海洋内波的红外探测

海洋内波是海洋中常见的现象,与表面波一样是海洋中的一种重要动力形式,其产生的流场会引起海表温度的微弱变化。随着红外遥感技术及各种红外传感器精度的不断提高,通过遥感探测内波所致海表温度的微弱变化来观测内波已经成为一种可能,但现阶段关于内波调制海表温度的具体机理还不清楚。     

水下运动物体产生内波的研究进展

水下运动物体产生内波是内波动力学研究的一项重要内容,具有重要的军事应用价值。依据水下运动物体对周围层化流体扰动方式的不同,将水下运动物体产生的内波分为两类：Lee波和尾流内波。文章首先在综合Lee波产生机制的基础上,对Lee波的理论、实验和数值研究工作进行了归纳,并给出了通过这三种手段对Lee波进行研究所取得的成果。同时,对尾流塌陷内波和尾流随机内波的研究状况和研究成果进行了介绍和总结。最后,提出在推进水下运动物体产生内波的研究过程中需要关注的几个问题和相应的研究思路。     

Numerical simulation with a macroscopic CFD method and experimental analysis of wave interaction with fixed porous cylinder structures

Porous structures have been widely applied in the coastal and ocean engineering due to their wave energy dissipation mechanism. The macroscopic computational fluid dynamics (CFD) approach where the quadratic pressure drop condition of porous surface is introduced to model the wave interaction with porous cylinders. A series of CFD simulations of waves interacting with a single porous cylinder and the combined structure of a porous cylinder with a concentric inner solid column are performed, with corresponding tank tests conducted. The CFD method is compared with experiments, linear potential model, and the quadratic BEM (boundary element method) model. The effects of porosity and porous cylinder radius on wave force and wave heights inside porous cylinder are analyzed to evaluate the performance of porous shell reducing wave loads and wave surface elevation, and the wave force variation with incident wave amplitudes are also investigated. The results demonstrate that the established CFD model is reliable for engineering analysis and thereby being of great significance for reference purpose in the CFD simulations of waves interacting with porous structures.     

内孤立波作用下水下潜器的载荷特性数值分析

为了研究海洋内孤立波作用下潜器的载荷特性,以RANS方程为控制方程,依据Kdv,eKdv和mKdv三类内孤立波理论计算速度入口,建立两层流体中内孤立波与水下潜器相互作用的数值模拟方法,计算分析内孤立波作用下潜器的水平力、垂向力和力矩的变化规律.结果表明,数值模拟得到的内孤立波波形及振幅与其对应理论解和文献中实验结果吻合良好.潜器的受力变化规律与内孤立波波幅、上下层水深比和潜器潜深有关.     

Wave Scattering by a Submerged Sphere in Three-Layer Fluid

Using linear water wave theory, three-dimensional problems concerning the interaction of waves with spherical structures in a fluid which contains a three-layer...     

拖曳球体尾流效应内波表现特征及其产生机理研究

采用PIV技术对分层流体中拖曳球体尾流及内波的流场进行了测量,捕捉到了清晰的尾流效应内波的流场图像。尾流效应内波不规则,有一定的随机性,迟于模型出现,呈"V"字形,波长较短,且不随内傅氏数明显变化,与体效应内波特征差异明显。通过对尾流激发内波过程的分析,发现尾流效应内波与尾涡结构紧密相关,试验测量的内波波长与St数决定的涡间距吻合,验证了尾涡激发内波是尾流效应产生内波的一种机制。     

The two-dimensional study of the interaction between liquid loshing and elastic structures

Sloshing phenomenon in the liquid cargo carriers has caught the attention of researchers as the interaction between the sloshing waves and structure is one of the key point and difficulty in the study of sloshing. In this paper, we captured the free surface with a volume of fluid (VOF) method and then calculated the motions and responses of the structure by adopting the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations for the whole fluid domain. With the use of user defined functions (UDF) in Fluent, the interaction between fluid and structure was then simulated. As a reasonable simplification, the authors studied the response of a single cantilever in a tank under sloshing loads; Further study should pay more attention to the mechanisms of interaction between sloshing waves and elastic structures.     

直立圆柱体内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论(KdV、eKdV和MCC)的适用性条件为依据,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,建立了两层流体中内孤立波对直立圆柱体强非线性作用的数值模拟方法.结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且直立圆柱体内孤立波水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合.直立圆柱体内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;对于水平力,其波浪压差力与粘性压差力量级相当,流体粘性的影响显著;对于垂向力,粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略.此外,直立圆柱体对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison公式和傅汝德—克雷洛夫力分别计算其内孤立波水平力和垂向力是可行的.     

两层流中潜体运动与诱发内波特征关系研究

在两层流体中潜体运动会激发生成内波。文章通过编程控制潜体运动,使用动态分层法保证潜体运动时边界层不受影响,基于RANS方程多相流模型,采用求解相的体积分数方式捕捉内界面波形。潜体定常运动计算结果与实验结果相符,通过此方法,对比不同潜深下潜体诱发内波波高和波长随密度Froude数的变化特征,得到了诱发内波波高最大处的临界密度Froude数,重点研究了在临界密度Froude数处潜体加速运动和减速运动对诱发内波幅值及其波动过程的影响。     

半潜平台内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论KdV、e KdV和MCC的适用性条件为依据,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对半潜平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下半潜平台水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,半潜平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。此外,半潜平台对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison和傅汝德—克雷洛夫力公式计算其内孤立波载荷是可行的。     

基于MPS-FEM耦合方法研究波浪与结构的相互作用（英文）

Nowadays, an increasing number of ships and marine structures are manufactured and inevitably operated in rough sea. As a result, some phenomena related to the violent fluid-elastic structure interactions(e.g., hydrodynamic slamming on marine vessels, tsunami impact on onshore structures, and sloshing in liquid containers) have aroused huge challenges to ocean engineering fields. In this paper, the moving particle semi-implicit(MPS) method and finite element method(FEM) coupled method is proposed for use in numerical investigations of the interaction between a regular wave and a horizontal suspended structure. The fluid domain calculated by the MPS method is dispersed into fluid particles, and the structure domain solved by the FEM method is dispersed into beam elements. The generation of the 2D regular wave is firstly conducted, and convergence verification is performed to determine appropriate particle spacing for the simulation. Next, the regular wave interacting with a rigid structure is initially performed and verified through the comparison with the laboratory experiments. By verification, the MPS-FEM coupled method can be applied to fluid-structure interaction(FSI) problems with waves. On this basis, taking the flexibility of structure into consideration, the elastic dynamic response of the structure subjected to the wave slamming is investigated, including the evolutions of the free surface, the variation of the wave impact pressures, the velocity distribution,and the structural deformation response. By comparison with the rigid case, the effects of the structural flexibility on wave-elastic structure interaction can be obtained.