波流作用下海上固定式风机基础的水动力性能数值模拟

海上风机基础长期受到海流、波浪等环境荷载的交互作用,作业难度较大,研究风机基础的水动力特性可为其设计及应用提供重要参考.文中基于自主研发的船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对一座固定式高桩承台风机基础在波流作用下的水动力参数进行数值模拟,研究了波浪与海流联合作用时,该风机基础在不同水深、不同波高条件下的受力、表面压力以及波面爬升现象,并与上海交通大学海洋工程国家重点实验室的模型试验结果进行比较,计算结果显示naoe-FOAM-SJTU求解器可以很好地模拟波流联合作用下风机基础的水动力特性.     

基于细长体公式的Truss SPAR在波流中的运动响应预报方法

利用细长体公式和刚体非线性运动方程建立Truss SPAR在波流中的运动响应预报方法。通过波浪自由表面和Truss SPAR中心线方程构造辅助函数,迭代计算瞬时湿长度。根据Truss SPAR主体形状特点和流场中水质点运动规律,分段高效积分水动力载荷。通过Runge-Kutta-Fehlberg方法求解运动方程,得到Truss SPAR在波流中的运动响应。对一座Truss SPAR在不同波流工况中的运动响应进行预报,结果表明,波浪和流使Truss SPAR产生明显漂移运动和振荡运动,漂移运动的大小与流向有关,而振荡运动的幅值与波浪方向有关。     

基于CFD的喷水推进双体船横移运动水动力性能研究

基于计算流体力学(CFD)理论,选用SST k-ω湍流模式封闭RANS方程,研究喷水推进双体船横向平移运动水动力性能。对喷水推进双体船模在不同横移航速下的粘性流场进行数值模拟,计算结果和水池拖曳试验结果进行比较,两者吻合较好,表明CFD可以用于双体船横移运动水动力性能研究。通过分析发现,双体船横移时的阻力随航速增加而快速增加;前片体阻力明显大于后片体;水动力作用点的位置随航速的改变幅度不大。准确掌握船体横移运动水动力性能,可为合理制定喷水推进器的控制策略,充分发挥喷水推进船优异的机动性和操纵性提供理论依据。     

波流作用下悬浮隧道局部锚索的破断动力响应

为研究波流作用下悬浮隧道局部锚索的破断动力响应,运用ANSYS/AQWA软件建立悬浮隧道及其锚泊系统的有限元模型.通过单元生死功能和时控法模拟锚索破断行为,对比分析不同波流条件对悬浮隧道局部锚索破断动力响应的影响.研究结果表明:锚索破断之后,会对剩余锚索产生冲击效应,缆力瞬态增量随着与破断位置距离的增加而逐步递减;规则波、均匀流和锚索破断作用引起的悬浮隧道动力响应具有不同的特征,规则波主要引起结构产生周期运动,均匀流主要引起结构产生大幅偏移和低频运动,锚索破断主要引起结构产生冲击效应和高频振动;锚索破断之后,剩余结构的阻尼增大、刚度降低,导致锚索破断前后的结构运动行为出现明显的不同.     

弧型布置的浮式防波堤水动力响应分析

非直线型布置的浮式防波堤对多浪向的掩护效果更佳,但其水动力响应相比直线型结构更为复杂,能否满足工程设计要求亟待研究,对此提出浮式防波堤弧型布局设计方案.基于三维势流理论对弧型布置的浮式防波堤的水动力性能进行频域和时域分析,计算得到运动幅值响应算子.在此基础上,考虑环境载荷和系统系泊与防波堤之间的耦合作用,研究其运动响应和系泊缆张力,并将所得结果与直线型布置的浮式防波堤数值计算结果相对比.分析结果表明:直线型布置的浮式防波堤在横浪作用下的横摇响应剧烈,在斜浪作用下存在横倾角;弧型布置的浮式防波堤在横浪和斜浪作用下的运动相对稳定,水动力性能表现更佳.     

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点。在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵。本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵。     

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点.在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵.本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵.     

波流作用下高桩码头动力响应试验研究

针对外海工程地质环境，以高桩码头为研究对象，设计波流作用下水槽试验方案，开展波流作用下高桩码头动力响应的试验研究，还原了高桩码头真实的使用环境，探讨高桩码头桩身内部响应差异，分析自由场与桩周土孔压和加速度的响应关系。结果表明：1)高桩码头各桩响应差异明显，顺波流方向桩身所受动水压力逐渐减小，桩身弯矩前排桩大于后排桩，中间桩大于两侧桩；2)面板位移和加速度呈周期性变化，扭转随波流作用逐渐减小；3)土层加速度和孔压随波流传播和埋深增加逐渐减小，群桩的存在会增大土层加速度、减小孔压；4)高桩码头设计时，应适当提高中间桩的强度，重视对表层海床土的加固。研究成果可为高桩码头的设计和维护提供一定的参考与借鉴。     

新型S-Spar概念设计及时域动力响应分析（英文）

本文概念性地提出了新型Spar平台S-Spar用于深水和超深水海洋油气开发。S-Spar连接软舱和硬舱的是和中央井同尺寸的圆形立柱。有别于传统的经典Spar和Truss Spar,S-Spar有一个细长的中间段,垂荡板安装在中间段增加垂荡阻尼的同时,封闭的中段可以保护立管免受波流荷载。文中介绍了S-Spar的基本概念,进行了频域和时域耦合动力响应分析,并进行了S-Spar连接的顶张式立管的动力响应和VIV疲劳分析,将计算结果和Truss Spar的计算结果相比较,结果显示新型S-Spar能改善平台的水动力性能,同时封闭的中央井对立管起到很好的保护作用。     

波流联合作用下通载浮桥动力特性研究

为了研究波流环境中浮桥通载时的动力特性,探讨通载速度及波流联合作用对浮桥动力响应的影响,本文采用势流理论对浮桥所处流场的速度势进行分析,采用莫力森公式计算浮桥受到的水阻力,同时考虑多轴移动荷载的影响,建立系泊浮桥的时域运动方程;并对不同工况下浮桥的运动响应及系泊力进行了计算,在计算中考虑了瞬时湿表面变化对浮桥浮力及水阻力的非线性影响,通过计算得到了不同行驶速度、不同波况下浮桥各桥节的运动响应及系泊力时程曲线.结果表明:车辆行驶速度对浮桥桥节垂荡、纵摇响应及系泊力均具有明显影响,桥节垂荡、纵摇及上游系泊缆张力峰值随行驶速度增大而增大;通载浮桥中部桥节的系泊缆张力最大值小于两侧桥节系泊力最大值;波浪作用下桥节的运动响应及系泊力与车辆荷载引起的运动响应及系泊力具有一定程度的叠加效应,特别是垂荡响应的叠加效应更为明显;当波高较大时系泊力将由波浪作用控制.     

浪、流作用下大型网箱结构强度的数值模拟

在不同的波浪、海流和海生物附着等环境载荷的作用下,大型网箱的位移、锚泊力及结构应力都会发生变化,而当网箱结构发生海生物附着后,网箱所受的载荷会增大,严重时会危及网箱的结构安全.为此,需要研究浪流作用下大型网箱的水动力响应及结构内力.建立单体水面网格锚碇网箱在浪流作用下的数值模型,分别研究波流、海流和海生物附着等因素对网箱的受力和运动的影响,并分析不同海况下网箱的极限强度.结果 表明,海流流速和海生物附着厚度对网箱的变形、运动和受力有较大的影响,且随着海生物附着厚度的增加,网箱的极限强度也越来越小.     

基于Fluent的ROV导管螺旋桨水花动态仿真研究

在ROV作业视景仿真系统中,螺旋桨动态水花仿真能够辅助操作人员通过螺旋桨旋转带动的水花状态判断操作正误,而且可以增加作业视景仿真视觉真实感。ROV导管螺旋桨在深海环境利用导流管作用增加推力,其动态水花流体形态、水动力特性与普通水面螺旋桨存在差异,不能以传统的单纯动画式进行仿真。文中对ROV导管螺旋桨动态水花仿真方法进行研究,研究了其水动力性能计算模型,基于Fluent对ROV的导管螺旋桨进行了水动力性能计算,根据流场分布数据结合VegaPrime视景仿真平台粒子系统完成螺旋桨水花动态模拟,获取逼真的水花动态仿真效果。     

滑行艇不同漂角滑行状态下的水动力性能

对于滑行艇的水动力性能研究通常都以船模试验来解决,但是滑行艇由于模型小,航速高,试验条件较为苛刻,这部分研究并不够充分。通过CFD方法能科学的模拟计算其航行情况,克服了试验的局限性,而且,在研究中将空气和水结合起来考虑,更符合实际情况,对进一步深入研究滑行艇水动力性能有重要意义。随着数值模拟技术的发展,用数值方法模拟滑行艇的运动状况来研究其运动性能,将成为具有重要意义的解决方案。本文以斜航试验为基础,建立7个不同漂角下的计算模型,并运用流体力学软件Fluent展开滑行艇在滑行状态下的数值模拟,对数值结果进行计算处理,并通过计算得到水动力系数测定曲线,为滑行艇水动力系数的数值测定提供一种摆脱实验条件限制的参考方法,对滑行艇水动力性能研究有一定的实际意义和参考价值。     

自主航行模式下二维摆动尾鳍的推进性能研究

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景,利用计算流体动力学软件Fluent对自主推进尾鳍的水动力特性进行数值模拟,分析了尾鳍在静水中作纵摇以及自主航行运动时的流场结构及水动力性能,建立了尾鳍摆动自主推进数值计算模型,研究了不同运动参数对尾鳍流场结构及水动性能的影响,确定了自主推进模式下的尾鳍运动速度,结果表明,随着尾鳍摆动频率的增加,尾鳍能够获得更大的推进和前进速度;通过对比尾鳍在约束模式和自主航行模式下的尾涡流场结构及演变过程,探讨了尾鳍惯性对其推进性能的影响.计算结果与文献模型实验具有良好的一致性.     

基于减摇鳍辅助回转的船舶操纵性能研究

基于MMG分离式建模思想，考虑作用在船体、螺旋桨、舵、鳍的水动力作用，建立双桨双舵船舶四自由度非线性数学运动模型，对某船模在静水中的回转性能进行仿真分析，将单独舵控制的仿真结果与船模试验结果进行了验证和分析，并对比了单独舵控制和舵、鳍联合控制下的回转性能，结果表明鳍参与控制回转时能明显缓解回转过程中的横倾。     

运动抑制装置对圆筒型浮式平台运动响应的影响

针对垂荡运动性能不佳,限制圆筒形FPSO在海上油气开发大范围应用的技术瓶颈,在平台底部增加延伸筒体与阻尼结构,提升圆筒型FPSO水动力性能,降低其垂荡幅值以满足干式采油装备的要求,基于三维势流理论,建立带有运动抑制装置的圆筒形FPSO水动力分析模型,分析运动抑制系统的不同高度、宽度、截面形状和通海情况对圆筒形FPSO的水动力性能影响,对比采用不同运动抑制装置的圆筒型运动幅值响应传递函数发现,增加阻尼孔使运动抑制装置内部与外界海水相联通,可以改善圆筒型FPSO的水动力性能,适当增加阻尼结构的高度、宽度有利于增大FPSO的垂荡运动固有周期,可避开南海海域百年一遇海况的波浪周期范围,起到抑制圆筒型FPSO运动的效果。     

围油栏水动力特性大比尺物理模型试验研究

针对围油栏水动力特性的问题,进行了模型比尺为1:1的规则波、水流与围油栏相互作用的大比尺水槽物理模型试验。利用拉力传感器和Polhemus电磁式位置跟踪系统,对围油栏的受力和不同浮子的运动响应进行了测量,研究了不同环境因素(周期、波高、流速)对围油栏水动力特性的影响。试验结果表明,在波流组合的情况下,围油栏的受力情况对水流流速最为敏感,波高其次,波浪周期对其影响最小。围油栏不同位置的浮子水平运动特征不同,但各个浮子的运动响应幅值均对波高较为敏感,基本同波高成线性关系。同时,水流抑制了各个浮子的水平运动,但使其升沉运动更为剧烈。     

全垫升气垫船操纵运动研究

本文用大振幅平面运动机构对全垫升气垫船模型进行了约束试验，测得了作用在船上的水动力，在此基础上用计算机解气垫船操纵运动微分方程，预报气垫船的回转性能，并与实船试验的结果进行了比较，两者吻合较好。     

水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能。本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好。同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义。     

水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能.本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好.同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义.