气浮海洋平台的水动力系数分析

文中以某气浮结构平台为研究对象,基于三维势流理论通过MOSES对气浮体和实浮体在相同波浪下的响应、不同吃水下、不同水深下的下气浮结构的水动力系数进行了研究分析.分析结果表明：气浮体和实浮体在相同波浪条件下的响应是不同的,气浮体垂荡响应大于实浮体,而气浮体的摇摆响应和横荡响应要小于实浮体,气浮体内部气体具有减摇的作用;在相同的扰动波浪周期下,随着水深的增加,气浮体的水动力系数呈下降趋势;在相同的扰动波浪周期下,随着吃水的增加,垂荡的水动力系数呈下降的趋势,而横荡的水动力系数呈上升的趋势,对于纵摇的水动力系数影响不大.     

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

以CFD理论为基础,建立了数值波浪水池,给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数测试与分析技术。对Wigley-III船模在数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟,计算分析了船体垂荡、纵摇及纵荡运动的附加质量与阻尼,并与三维势流理论计算结果进行了比较,两者吻合良好。此方法能准确给出浮式结构物的水动力系数,细致描述船舶周围的流场,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。     

柔性连接装置约束下的相邻浮体动力响应分析

许多海上工程作业中会出现两个或多个浮体相邻作业的情形,如海洋平台组块双船浮托安装等.在波浪作用下,相邻多浮体会发生水动力干扰现象,在特定条件下引起强烈的间隙共振,产生的巨大波浪力会对浮体造成破坏.相邻多浮体之间往往会存在柔性连接,需要考虑多浮体水动力干扰及机柔性连接构件的约束力对浮体运动响应的耦合作用,以及约束力本身对刚性或柔性连接构件的影响.因此,需要建立多浮体耦合的水动力-结构动力模型研究相互连接的海上浮式结构在复杂环境载荷下的动力响应.本文以双船浮托安装作业为背景,开发耦合的水动力-结构动力模型分析平台组块在双船拖运过程中的复杂动力响应.通过结合动态子结构法和静凝聚法,考虑连接构件的柔度,将连接构件的质量和刚度凝聚到构件与双船的连接点处.结合多浮体频域水动力分析,研究双船在柔性构件约束下和复杂水动力干扰共同作用下的运动响应.     

柔性连接装置约束下的相邻浮体频域响应分析

许多海上工程作业会涉及两个或多个浮体相邻作业,如海洋平台组块双船浮托安装等。在波浪作用下,相邻多浮体会发生水动力干扰现象,在特定条件下引起强烈的间隙共振,产生的巨大波浪力会对浮体造成破坏。相邻多浮体之间往往会存在柔性连接,需要考虑多浮体水动力干扰及柔性连接构件的约束力对浮体运动响应的耦合作用,以及约束力本身对刚性或柔性连接构件的影响。因此,需要建立多浮体耦合的水动力—结构动力模型研究相互连接的海上浮式结构在复杂环境载荷下的动力响应。文中以双船浮托安装作业为背景,开发了耦合的水动力—结构动力模型分析平台组块在双船拖运过程中的复杂动力响应。通过结合动态子结构法和静凝聚法,考虑连接构件的柔度,将连接构件的质量和刚度凝聚到构件与双船的连接点处。结合多浮体频域水动力分析,研究了双船在柔性构件约束下和复杂水动力干扰共同作用下的运动响应。     

新型立柱储油式半潜平台水动力特性频域分析

近年来，海上油气工业的远海化与超深水化对半潜平台的响应性能与储送油能力提出了新的考验。为适应更高的工作要求，我国设计生产了世界上首座具有凝析油储存和动力定位穿梭油轮外输功能的立柱储油式半潜生产平台，其运行时储油量的大幅度变化会对平台水动力特性产生影响。本文建立了考虑储油量变化的储油式半潜平台水动力模型并对其进行了频域水动力分析。结果表明：储油量越大，垂荡与横摇一阶波浪力越小，横荡一阶波浪力越大；横摇与垂荡方向的辐射效应受储油量影响大，辐射阻尼随储油量增多而减小，满载状态下最多分别减小22%与42%，附加质量变化规律类似；垂荡RAOs随储油量的增多而减小，最大差值约1 m/m，横摇RAOs在储油量6000 t时达到最大值1.45°/m；储油量变化使垂荡和横摇方向的自然频率发生偏移。     

基于AQWA的波浪能发电装置主浮体水动力特性研究

利用水动力计算软件AQWA对双浮体式振荡浮子波浪能发电装置主浮体进行仿真分析,对不同尺寸垂荡板的主浮体进行建模仿真,并就各自RAOs、激振力、附加阻尼和附加质量进行频域分析。结果表明,在波浪频率低于0.3 Hz时,垂荡板尺寸对其影响尤为明显;当波浪频率分别大于0.2 Hz、0.36 Hz和0.35 Hz时,垂荡板尺寸分别对RAOs、激振力和附加阻尼失去影响;对于同一吃水线、不同垂荡板尺寸的主浮体,波浪频率对其附加质量有较大影响,且垂荡板尺寸越大影响越严重。     

多自由度轴对称型波能转换装置水动力性能研究

提出了由垂直轴对称浮体和铰接动力输出(PTO)管组成的多自由度波能转换装置,垂向动力输出机构安装在PTO管内,在波浪作用下浮体可沿PTO管滑动。应用线性势流理论建立该波能转换装置的水动力分析模型,并简化为浮体垂荡、浮体及PTO管相对于铰接点的纵摇和横摇3个单自由度运动方程。为了验证计算模型的正确性,在随浪工况下将各单自由度频域计算结果与基于AQWA-NAUT时域计算结果进行了比较。点吸收装置通常利用海浪作用下浮体相对于固定框架或水下物体的垂荡运动获取能量,其能量俘获带宽相对较窄,而论文提出的新型波能转换装置可俘获浮体多个自由度方向的能量。研究表明,相对于垂荡单自由度点吸收装置,新型多自由度轴对称型波能转换装置可提高波能俘获效率及能量俘获带宽。     

有航速纵向连接多联浮体频域特性分析

针对水深和浪向等参数对有航速纵向连接多联浮体运动产生影响的问题,基于势流理论分析了有航速的纵向连接多联浮体的水动力特性,并利用水动力计算软件AQWA分别对不同水深、不同浪向和不同航速下多联浮体结构进行了频域计算,得到了多联浮体RAOs随波浪圆频率的变化曲线。计算结果表明,水深越浅,垂荡RAOs会减小,但纵摇与首摇RAOs会增大,对于所研究的纵向连接多联浮体而言,8 m以上水深可以看作无限水深进行分析和计算;不同浪向对纵向连接多联浮体各自由度影响不同,若多联浮体产生较大的运动响应时,应及时改变航向;在较高航速下纵向连接多联浮体各自由度RAOs会产生较大的响应,在低中频段航行时应适当降低航速航行,在高频段航行时可以适当提高航行速度。     

箱式浮体在波浪中的运动分析

为研究浮体在波浪中的运动,工程中采用基于刚体运动学的理论,应用牛顿第二定律建立了箱体在六个自由度的耦合运动方程.采用修正的切片法计算了箱体在规则波中运动的附加质量、附加阻尼和静水恢复力,并以纵摇和垂荡两个运动模态为例,在频域和时域内计算了浮体在规则波中两个运动模态的波浪载荷和运动响应,并对运动响应特性进行了分析.     

月池对浮式钻井生产储油轮水动力系数的影响分析

采用数值模拟的方法,分析了不同尺寸、位置、吃水的月池对浮式钻井生产储油轮(FDPSO)船体附加质量和阻尼系数的影响。建立FDPSO三维水动力模型,采用水动力计算软件AQWA,研究了月池在不同尺寸、位置、吃水情况下对FDPSO横荡、垂荡、横摇附加质量和阻尼力的影响。结果表明,月池内流体的"活塞"振荡会增大船体的垂荡运动;FDPSO船体附加质量和阻尼力在频域范围内存在极值,垂向附加质量和阻尼力极值对应的波浪频率位置与月池尺寸、吃水有关,与位置无关。     

箱式浮体在波浪中的运动分析

为研究浮体在波浪中的运动，工程中采用基于刚体运动学的理论，应用牛顿第二定律建立了箱体在六个自由度的耦合运动方程。采用修正的切片法计算了箱体在规则波中运动的附加质量、附加阻尼和静水恢复力，并以纵摇和垂荡两个运动模态为例，在频域和时域内计算了浮体在规则波中两个运动模态的波浪载荷和运动响应，并对运动响应特性进行了分析。     

基于AQWA的双浮箱-双水平板浮式防波堤水动力分析

运用AQWA软件,针对双浮箱-双水平板浮式防波堤,建立不规则波作用下浮体锚链的耦合模型,研究时域情况下,改变水平板与浮箱的垂直间距,分析浮体运动响应以及锚链受力情况;并深入探讨了不同波浪周期和波高情况下水平板长度对浮体运动响应以及锚链受力的影响.结果表明,增加水平板与浮箱的垂直间距和水平板长度,可以有效减小浮体运动响应和锚链受力.波高和波浪周期是浮体重要的水动力因素,波高越大,波浪周期越长,浮体运动响应越剧烈;当浮体水平板长度达到21米左右时,整个防波堤达到最佳锚泊状态.     

悬挂式多波束水动力分析

多波束主要用于考察海底地貌,保证良好的水动力性能可以更有利于多波束的工作。波浪中舰船产生的纵摇和垂荡是影响多波束水动力性能的主要因素。多波束所受的合力主要是由波浪中舰船垂荡和纵摇所产生的耦合垂向加速度引起的。采用势流理论计算舰船水动力系数,进一步采用STF二维切片理论对舰船耐波性进行预报。多波束升力的计算要考虑波浪和纵摇的攻角,合力与升力、重力以及浮力的差值即为多波束与船体间的作用力。多波束的水动力周期性变化,变化周期同舰船摇荡周期相同。     

气动载荷对半潜式海上风机运动响应的影响分析

以DeepCwind海上风机为研究对象,利用有限元软件ANSYS AQWA进行风机频域水动力数值仿真分析,得到水动力参数以及幅频响应曲线,将得到的水动力参数导入到FAST软件中,对风机气动-水动-锚泊系统的时域耦合运动分析。在此基础上,讨论了气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响。结果表明,气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响较大且不可忽略,横摇,横荡以及首摇运动随着气动载荷的增大而增大,垂荡运动随着气动载荷的增大而减小,风作用在叶片上所产生的气动阻尼削弱了垂荡运动,增强了横荡、横摇和首摇运动。     

新型半潜式浮式风机在不同流速下的动力响应特性研究

本文提出一种适用于50～120 m水深的新型半潜式浮式风机，用频域法研究浮式平台的水动力特性，通过建立风机-塔筒-浮式平台-系泊系统全耦合分析模型，考虑二阶差频波浪力作用，对其开展风、浪、流联合作用下的时域分析，重点分析不同流速条件下新型半潜式浮式风机耦合动力响应特性。分析结果表明：新型半潜式浮式风机结构设计合理，其固有周期能较好地避开波浪能量密集的周期范围，有效避免了共振发生；风浪条件一定的情况下，流速增大将使新型半潜式浮式风机的最大纵荡响应和锚链拉力显著增大，但对纵摇和艏摇响应有一定程度的抑制作用。流速变化对基础垂荡运动和发电功率影响较小。     

二维浮式结构物与完全非线性波相互作用数值分析

基于粘流理论、流固耦合理论和自由液面追踪技术——VOF(Volume of Fluid)法,以不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程为基本控制方程,利用商用软件ANSYS Workbench的二次开发功能,建立了粘性数值波浪水池,数值模拟了完全非线性波的生成,计算分析了二维浮式结构物遭遇波浪的完全非线性现象,得到了甲板上浪水位高度和结构物的纵摇、垂荡、横摇等运动响应。结果表明:文中的方法可以用于波浪与浮式结构物相互作用的完全非线性数值模拟.     

带分形孔垂荡板浮式风力机性能的大涡模拟分析

垂荡板作为一种能增加浮式支撑平台附加质量和水动力阻尼的被动装置，能抑制平台的运动响应，提高风力机的效率。论文研究带分形孔的垂荡板对浮式风力机水动力-气动力耦合性能的影响。用两相流求解器naoe-FOAM-SJTU求解系泊状态浮式平台的水动力响应。将非稳态致动线模型嵌入两相流求解器，用来求解受平台运动影响的风力机气动性能。研究结果表明：开孔垂荡板能提升浮式风力机系统的稳定性，减小平台运动响应的幅值，增大风力机气动功率。此外，开分形孔的垂荡板的效果优于开规则孔的垂荡板，它是增强系统稳定性的可行方案。     

多浮体铰接薄板结构运动响应研究

应用Newman的广义运动模态分解方法和拉格朗日乘子法,基于波浪辐射和绕射理论建立了铰接多浮体结构水动力响应的运动方程,应用预修正快速傅里叶变换(p FFT)的边界元方法对由15块板组成的铰接多浮体结构的运动响应进行了研究。数值结果表明该p FFT方法计算精度和计算速度均很高,可用于任意形状和约束状态的多体结构的水动力分析。板间距的改变对铰接点处垂荡和横摇影响较大。     

复杂地形下平台水弹性响应研究

在以往的研究中,波浪对浮体的水动力响应作用大多采用有限均匀水深或无限水深情况进行计算,考虑实际复杂地形对浮体性能影响的研究较少,但事实上地形的变化对浮体影响不可忽略,尤其岛礁附近区域珊瑚礁地形复杂,需要考虑地形对波浪场的影响。文章先从简单情况入手,入射波浪采用有限水深均匀入射波,使用有限水深格林函数求解源强,但加入了地形对浮体波浪绕射和辐射的影响。基于这些假定,验证了该方法计算结果的准确性,进而对某浮式平台在复杂地形下的水动力进行计算,并与均匀有限水深的结果进行比较,两者总体趋势吻合。结果表明,地形的存在对低频区运动响应影响较大,相比均匀水深波动较大。该文可以为浮体在实际地形下水动力响应计算研究工作的开展提供一个参考。     

一种新型深水浮式平台及其系泊系统动力响应分析

本文以一种可支持干式采油树的新型深水浮式平台为研究对象,采用频域和时域分析方法,分析不同工况下该平台的运动响应和锚链力特性,并与试验数据相对比以验证数值方法的正确性。在此基础上,重点分析了锚链断裂和伸缩立柱长度对该平台各项性能的影响。研究表明,该新型深水浮式平台具有优越的垂荡运动性能,且伸缩立柱长度对其垂荡运动具有影响。此外,如果发生锚链断裂,将对平台水平运动及锚链力产生较大影响。