基于正交设计和CFD模拟的Spar平台螺旋侧板水动力优化设计研究

螺旋侧板能够有效抑制Spar平台涡激运动,为选取较优的螺旋侧板参数,文章基于正交设计理论,采用数值计算方法求解RANS方程,研究侧板螺距比、侧板高度和来流速度等因素对Spar平台横向力系数的影响。采用极差分析法和方差分析法处理计算数据,得到各Spar平台螺旋侧板参数及其交互作用对减涡效果的影响程度。     

Spar平台涡激运动的数值模拟

涡激运动对Spar平台的安全性影响已越来越受到重视。文中采用基于粘性流的CFD方法,对海流作用下Spar平台的涡激运动特性开展研究:确定了Spar平台涡激运动的数值分析方法、绘制合理的网格,研究Spar平台横荡、纵荡响应以及平台在水平面内的运动轨迹特点,以及平台运动与漩涡脱落之间的关系;揭示了平台涡激运动随时间变化的发展规律,为下一步提出抑制Spar平台涡激运动的措施提供重要思路。该项研究成果将为开展Spar平台三维涡激响应分析提供一定的参考。     

剪切流中Cell-Truss Spar平台涡激运动的CFD计算与模型试验研究

目前,Spar平台在离岸深水作业中得到越来越广泛的应用,作为影响spar平台在某些来流条件下运动响应特性的一种重要现象,涡激运动已成为国际海洋工程界亟待研究的一个新课题.本文采用CFD计算与模型试验相结合的方法,对一座称为"Cell-Truss Spar"的新型Spar平台在剪切流作用下发生涡激运动的现象进行了研究.相对于目前已存在并应用的Spar平台,Cell-Truss Spar平台在结构形式上有其自身的特征,研究中充分考虑了这一特征,对其建立适当的CFD计算模型,得到其涡激运动的特征,模拟了锁定现象的发生过程,分析了锁定现象的发生机理和规律;同时制作了精细的物理模型,测试了一系列的剪切流表面流速,得到了Cell-Truss Spar平台涡激运动的一些关键性参数,并成功地观察到了锁定现象的发生.CFD计算与模型试验相互比较,相互验证,最后对该平台涡激运动响应的特征进行了分析和总结,为进一步的涡激运动抑制研究奠定了基础.     

方形四立柱涡激运动及水动力性能分析

平台涡激运动是近年来海洋工程领域研究的热点和难点。本文将涡激运动系统简化为两自由度质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解N-S方程,将求解瞬态动力响应的四阶Runge-Kutta代码嵌入UDF程序中并采用动网格技术实现流场更新,对低质量比弹性支撑方形四立柱涡激运动进行数值研究。研究表明:涡激运动流向最大位移为0.31D,横向最大位移为0.61D;横向运动频率随折合速度的增加而增大,没有出现频率锁定现象;不同约化速度下运动轨迹图较为紊乱;尾涡模式总体呈现出2P模式。     

深吃水半潜生产平台涡激运动特性研究及其参数化分析

本文采用改进的延迟分离涡方法(IDDES)数值模拟深吃水半潜平台的涡激运动,研究深吃水半潜平台在0°、22.5°和45°流向角下的纵向、横向和艏摇运动响应,以及吃水和立柱倒角对半潜平台涡激运动的影响。对比实验数据发现,数值结果与实验数据基本吻合。从计算结果可知,横向运动出现频率锁定现象,但不同流向角下的锁定区域不同,22.5°和45°流向角下的锁定区域发生在6.0V_r8.0,而0°流向角下的锁定区域则相对滞后;艏摇运动响应特性与横向不同,未出现锁定现象,在3.0V_r13.0区间内,艏摇运动响应幅值随V_r的增加而增加。当立柱只有一个倒角时,倒角半径尺寸对半潜平台横向运动响应和艏摇运动响应的影响很小,而当立柱四边都有倒角时,半潜平台的横向运动响应和艏摇运动响应均随倒角半径的增加而变大。半潜平台的横向运动响应和艏摇运动响应均随着吃水增加而增大,当吃水较小(H/D≤0.9)时,半潜平台的横向运动无明显频率锁定现象。     

一种改进的离散涡方法及其在涡激运动中的应用

海洋平台的涡激运动(VIM)会使与之连接的锚链和立管系统发生严重的疲劳破坏,缩短其疲劳寿命,是海洋工程领域的研究热点。离散涡模型(DVM)具有不受网格限制、在涡量集中区分辨率高、可用大时间步长模拟高雷诺数流场的特点。本文应用满足流函数方程的离散涡模型模拟了高雷诺数下二维圆柱绕流和涡激振动(VIV)问题,有效还原了涡激振动中的锁定现象,验证了模型的准确性。同时提出该模型对多体结构涡激运动求解的处理方式。利用该方法模拟了二维单柱Spar平台以及多柱半潜平台模型的涡激运动,通过对平台受力曲线、横荡与纵荡位移以及频率响应的分析,得出了平台涡激运动的普遍规律,为Spar和半潜平台的结构设计提供了参考。     

基于重叠网格的船模停船操纵CFD数值模拟

[目的]随着国际航运业的迅速发展,港口和航道变得日益拥堵,研究大型船舶的停船性能对于航行安全至关重要。[方法]使用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,以及船舶六自由度运动和带桨多级物体运动求解模块,采用重叠网格技术,对带桨KVLCC2船模进行紧急停船操纵数值模拟。首先,控制螺旋桨转速,使船模达到稳定自航状态;然后,在某时刻控制螺旋桨倒转,以达到紧急停船操纵的目的。通过对全粘性流场的整体求解,给出船模自航以及停船操纵过程中的运动状态和细致流场信息,分析倒车效应产生的原因,并将数值预报结果与相关试验数据进行对比验证。[结果]结果显示,数值预报结果与相关试验数据间误差在5%以内,证明采用naoe-FOAM-SJTU求解器对船舶倒车停船操纵问题进行数值预报是可靠的。[结论]所采用的方法可针对停船问题为船舶前期设计和操纵方式的选择提供参考。     

扰流板对深吃水圆筒型平台涡激运动的抑制效果研究

深吃水圆筒型平台是一种新型多功能高效平台,可有效解决岛礁开发中的能源供给问题。但平台在持续性的来流作用下会发生剧烈的涡激运动,将导致平台系泊、立管系统发生疲劳损害。从抑制涡激运动的角度出发,设计一套新型扰流板结构。基于改进的延迟分离涡模拟方法（IDDES）数值模拟并对比分析了有、无扰流板2种情况下深吃水圆筒型平台横荡、纵荡和首摇运动响应,并从运动时域、频域和三维流场特征等角度对结果展开分析。结果表明,新型扰流板对平台横荡、纵荡和首摇运动均有较好的抑制作用,其中对横荡运动抑制效果最为显著,效率高达89%。带扰流板的深吃水圆筒型平台涡激运动数值模拟分析在平台实际结构设计中具有重要工程意义。     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m*=2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

两自由度运动圆柱绕流的离散涡方法模拟

应用离散涡数值方法(Discrete Vortex Method,DVM)对弹性支承的二维圆柱绕流的涡激振动(VIV)问题进行数值模拟,研究单自由度横向运动系统、两自由度系统横向和流向耦合运动这两种模型的计算结果,得到了不同质量比、不同折合速度下的尾涡形状、受力系数和圆柱响应曲线,并分别提取了单自由度和两自由度两种模型所得到的横向振幅进行对比.总结出受质量比和自由度数影响的圆柱响应的变化规律,证实了锁定lock-in现象的发生过程.通过与实验结果的对比,验证了计算结果较为合理和可靠,说明离散涡方法是研究涡激振动问题的有效手段,并且它能够适应高雷诺数下的计算,并且认为圆柱的流向运动对涡激振动起着促进作用,在数值模拟中是应当予以重视的.计算过程采用FORTRAN语言编程实现.     

考虑涡泄模式的低质量比圆柱涡激运动数值模拟

本文与经典实验进行对比,对二维圆柱在不同来流速度下的涡激运动进行研究。将运动系统简化为质量(m)-弹簧(k)-阻尼(ζ)系统,分析浮式圆柱运动的控制方程并通过4阶Runge-Kutta法求解运动微分方程,借助UDF编程嵌入到Fluent求解器中进行求解,结合动网格技术实现流固耦合,对比Jauvtis和Williamson的经典实验以验证数值模拟的可靠性,再现了SS,2S,2T和2P的涡泄模式。虽得到了与Jauvtis和Williamson物理模型实验相近的一些典型结果,没有做更进一-步的研究,但通过实验数据与数值模拟的对比,能够区别研究相同质量比下其他不同参数对涡激运动特性的影响。对m^*=1的浮式圆柱与低质量比圆柱m^*-2.6进行涡激运动数值模拟研究对比,发现不同约化速度下对运动频率、涡泄模型等涡激运动特性均有不同程度的影响。     

深水Truss Spar水动力计算方法研究

为了研究深水Spar平台的运动特性,考虑平台与波浪的相对运动,对一座深水Truss Spar平台进行波浪载荷及运动响应计算。波浪载荷计算中Truss Spar主体和软舱采用3D势流理论计算,而垂荡板、桁架和立管系统采用线性化的Morison公式计算,同时求解中考虑系泊系统的影响。计算结果表明,Spar平台波频运动较小,而低频运动较为显著,其响应幅算子较大。     

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。     

二维立管Helical Strakes绕流场的ANSYS-CFD分析

利用ANSYS-CFD软件模拟螺旋侧板(helical strakes)对立管涡激振动的抑制作用。对二维的光滑立管和覆盖两种不同螺旋侧板高程的立管,在不同的雷诺数下进行模拟分析,将得到拖曳力和升力结果与数值和实验结果进行对比表明,螺旋侧板可以影响拖曳力和升力的变化,扰乱流场,很好地抑制漩涡的产生。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7 800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

带自由液面有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟(DDES)技术和分段线性界面重构(PLIC)方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度"恢复"延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。     

深水张力腿平台非线性涡激特性及水动力性能研究

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤,危害其安全稳定性。该文引入雷诺平均法求解NS方程结合DES湍流模型对不同流速下深水张力腿平台三维涡激运动及流场特性进行了数值研究。采用GAMBIT软件建立计算网格,将求解动力学控制方程的代码嵌入UDF求解器中,采用动网格技术实现流场更新并求得作用于平台立柱和浮箱上的瞬时升力和拖曳力。采用最大值统计法和均方根统计法进行数据统计。研究发现:张力腿平台涡激运动流向振幅的大小随着约化速度的增大而增大,但在小范围内波动;横向振幅曲线最大值出现在0°来流、约化速度U~*=8.0处,大小为0.38D;三种来流工况流向平衡位置随无因次速度的增大而增大,但增长速度有所区别,22.5°和45°下流向平衡位置的增加速度要明显大于0°来流;22.5°来流升力系数谱能量较为分散,立柱及浮箱之间的干扰具有强非线性效应;最后对张力腿平台表面压力系数分布及涡量等值面特性进行了分析和探讨。     

平台运动影响下张力腿涡激振动特性研究（英文）

张力腿涡激振动易引起系泊系统的疲劳损伤,危害张力腿平台的安全性和可靠性。该文借鉴细长立管涡激振动的相关研究,同时考虑张力腿与立管在截面尺度、预张力大小以及边界条件存在的巨大差距,采用切片理论结合CFD数值模拟方法,对平台运动影响下张力腿涡激振动开展了研究。考虑定常张力与时变张力对涡激振动的影响,采用GAMBIT软件分区建立了多切片计算网格,将编制求解涡激振动的UDF程序嵌入Fluent软件中,采用动网格技术实现流场的更新并计算作用于张力腿上的瞬时升力和拖曳力。文中还比较了仅考虑流和考虑浪、流联合作用张力腿的时变张力影响,研究了两种典型波高共计六种工况,计算结果表明:随着流速的增加,各模态权重比例将发生跳转现象;尽管由于平台运动导致张力腿受力的随机性,但平台运动对张力腿涡激振动影响较小。     

基于小波分析的Spar平台阻尼系数研究（英文）

连续小波分析方法作为典型的时频方法虽已广泛应用于工程界,但在海洋工程领域并未得到大力推广。文章应用连续小波分析方法对海洋工程领域中与Truss Spar平台涡激运动相关的阻尼系数进行求解。通过构建测试信号对这一方法进行数值检验,验证了小波分析方法的可靠性和准确性。利用试验数据,成功将小波分析方法应用于求解Truss Spar平台阻尼系数问题中。结果表明小波分析方法具有较好的可靠性,能够准确求解平台的阻尼系数。