基于CFD的某内河游船风载荷系数计算

为获得船舶风载荷系数的准确计算方法及其在不同风向角下的分布规律,以某内河船舶为研究对象,对船舶水上结构表面风场风压进行数值模拟,得到不同风向角下的风载荷系数,将计算结果与Fujiwara和Blendermann方法对比,结果表明,k-εRealizable湍流模型在计算风载荷系数时准确度较高;随着风向角变化,船舶风载荷系数变化较大;所采用的数值计算方法及网格形式可较好预报游轮风阻力。     

船舶风载荷数值模拟中流域构造方法的研究与应用

以15000 TEU集装箱船为计算对象,针对船舶风荷载数值模拟中多风向角工况下大量重复性工作问题,基于STAR-CCM+平台,提出3种计算域构造方法:移动参考系模型法(MRF)、重叠网格法(Overset Mesh)、内外域分区构造法(Subregion),实现多风向角计算模型共享,助力风载荷数值建模的完全流程化和自动...     

基于CFD的风帆助航船阻力特性研究

现有关于风帆船的研究大多针对帆型的优化,而对风帆助航船阻力特性的研究相对较少.文中以风帆助航船的阻力预报为研究背景,利用数值模拟软件STAR CCM+,对风帆船的阻力特性进行模拟研究.首先,选取椭圆弧形风帆,利用重叠网格技术模拟计算出不同风向、不同几何攻角下的风帆受力情况.然后,将帆与船作为一个整体,应用VOF方法对不同风向、不同漂角下风帆船的阻力性能进行预报.在研究中得到了不同风向下获得较好助推性能所对应的几何攻角;发现了船舶阻力随漂角的增大而增大,且增大的幅度越来越大;得出了该风帆船在设计航速下,通过风帆角度的调整可使阻力减少23.3%.     

船舶所受风荷载国内外规范对比分析

船舶系缆力是码头结构设计和系船柱选型的重要条件,风、流、浪为船舶系缆力主要控制因素。针对国内外码头设计规范中船舶系缆力的计算方法差异,选取了码头结构设计常用的国内外规范（中国JTS规范、西班牙ROM规范、OCIMF指南、英国BS 6349规范）对船舶所受风荷载的计算公式进行对比分析,并结合工程实例对不同风向角下的风荷载进行了计算。结果表明：1）不同规范在船舶适应范围、风速选取、船舶受风面积、风压修正系数方面存在明显差异。2）ROM计算得出的30万吨级油船的风荷载最大,JTS计算结果最小。     

基于MOSES的LNG船舶系泊运动响应分析

运用MOSES软件分析了26.6万方LNG运输船的系泊响应,计算了蝶形布置方案和一字型布置方案下不同工况的时域结果,系缆墩间距对船舶运动响应的影响,分析了船舶运动响应、单根缆绳张力、护弦撞击力。计算表明:在南向0°波浪作用下,船舶的纵摇角最大、横摇角最小。在南向90°波浪作用下,船舶的纵摇角最小,横摇角最大;护舷的受力主要受风向的影响,随着风向的变化,系缆受力的最大值变化不大,但最大值的系缆位置略有不同;在吹开风向作用时,护舷上的受力在1,500k N左右,当船舶在南向30°波浪、吹开风作用时,护舷上受力为0。     

基于CFD的FPSO风载荷规范计算适用性研究

[目的]目前,设计人员多使用针对大型油轮的OCIMF规范和针对海上平台的API规范对FPSO风载荷进行计算,但因FPSO船舶上层建筑更为复杂,需进一步研究这2种规范对于FPSO风载荷计算的适用性。[方法]建立具有通用型上部模块的某30万吨级大型FPSO数值模型,对恶劣海况下不同风向角、横倾角下的FPSO所受风载荷进行数值模拟,分析其中存在的遮蔽效应;与规范计算结果进行对比分析,讨论在风载荷作用下FPSO受到的横倾力矩。[结果]结果显示,船舶正浮状态受到的最大风载荷和横倾力矩出现在270°风向角;船舶横倾状态下受到的风载荷和横倾力矩比正浮状态更大,最大横倾力矩出现在10.5°横倾角280°风向角;采用API规范和OCIMF规范得到的FPSO风载荷计算结果与CFD计算结果相差较大,二者在270°风向角的结果与CFD分别相差13.6%和24.5%。[结论]数值仿真给出的流场细节有利于分析上部模块间的遮蔽效应,能够较为准确地预报船舶所受到的风载荷,可以为考虑遮蔽效应的FPSO稳性设计提供参考。     

大型集装箱船受风工况下操纵性计算预报

本文采用考虑横摇在内的四自由度船舶操纵运动模型,结合大型集装箱船的船型特点。水动力试验结果和完善船、桨、舵水动力、附加质量以及风载荷的计算表达,建立大型集装箱船操纵性预报方法,并完成了4500TEU集装箱船受风工况下的操纵实例计算。文中还分析了风向角αω,风速比Vα/Vα和操舵角δ诸因素对大型集装箱船风载下操纵性的影响。     

不同集装箱布置下船舶风载荷数值仿真

采用数值仿真手段,在各风向角下计算分析船舶甲板上6种不同的集装箱堆箱布置对船舶纵向风向力、横向风力和艏摇风力矩的影响。借助风洞设备对相应研究工况进行风洞试验验证,结果表明数值计算结果与试验结果吻合较好。为有效评估不同堆箱布置形式下航行集装箱船的风阻力,提出考虑遭遇风向角范围的"阻力系数面积RA"评估指标。     

船舶风载荷计算及上层建筑降阻优化

以某5万吨级油船为研究对象,采用数值计算和风洞试验相结合的方法,对该油船不同风向角下的风载荷进行了研究.同时,基于降阻提效的理念,对该船上层建筑正迎风面构型进行了优化设计,并提出了3套优化方案.研究结果表明:数值结果与试验结果较为吻合,该数值方法可用于船舶风载荷工程预报;提出的上层建筑优化方案能够达到一定的降阻效果.     

中华帆的操驾

中华传统舟船升起帆篷利用风力推船航行称为驶风。俗称跑风、打风等。中国船工、海员在历代相传的长期实践中创造了驶八面风、调戗等驶风操帆技术。驶风航速受风力、风向、帆角、水流速、流向、船型、帆面积以及操帆技术等多种因素影响。风向与船纵中线的夹角称风角,船驶风时,帆面与船纵中线的夹角称帆角。帆角随风角相应调整,才能有效利用风力。     

Methodology for global structural load effect analysis of the semi-submersible hull of floating wind turbines under still water,wind, and wave loads

In designing the support structures of floating wind turbines (FWTs), a key challenge is to determine the load effects (at the cross-sectional load and stress level). This is because FWTs are subjected to complex global, local, static, and dynamic loads in stochastic environmental conditions. Up to now, most of the studies of FWTs have focused on the dynamic motion characteristics of FWTs, while minimal research has touched upon the internal load effects of the support structure. However, a good understanding of the structural load effects is essential since it is the basis for achieving a good design. Motivated by the situation, this study deals with the global load effect analysis for FWT support structures. A semi-submersible hull of a 10-MW FWT is used in the case study. A novel analysis method is employed to obtain the time-domain internal load effects of the floater, which account for the static and dynamic global loads under the still water, wind, and wave loads and associated motions. The investigation of the internal stresses resulting from various global loads under operational and parked conditions and the dynamic behavior of the structural load effects in various environmental conditions are made. The dominating load components for structural responses of the semi-submersible floater and the significant dynamic characteristics under different wind and wave conditions are identified. The dynamic load effects of the floating support structure are investigated by considering the influence of the second-order wave loads, viscous drag loads induced global motions, and wind and wave misalignments. The main results are discussed, and the main findings are summarized. The insights gained provide a basis for improving the design and analysis of FWT support structures.     

作用于船舶上风荷载及参数的理论计算

风荷载是船舶系泊的主要控制因素,因此对作用于船舶上风荷载计算研究是十分必要的。针对现行水运行业规范中关于作用于船舶上风荷载的计算公式与参数取值问题,基于风荷载的基本表达式,采用理论推演的方法,结合自然条件的更新调整,对空气密度、风压高度变化系数、地面粗糙度、船舶受风面积等参数进行分析,得出船舶风荷载的理论计算公式与参数取值建议,为规范中部分参数的修订与工程设计提供参考。     

海上风力发电浮式基础的研究进展及关键技术问题

水深大于50m的海域,风速稳定、风切变小,具有风力发电的独特优势,该海域风力发电装备需要采用浮式基础,因此研究适用于海上风力发电的浮式基础结构,对海上风力发电的产业化具有重要的意义。近年来国外开展了各种新颖浮式基础结构基础形式和工作原理的研究,针对浮式基础承受的风机运转载荷和海洋环境载荷的特点,系统分析海上风机浮式基础涉及到的关键技术问题和风险因素,对风机浮式基础设计具有参考价值。     

特种筒形桅杆风压试验

锥形筒形桅杆是一种新型桅杆 ,由于其结构的特点 ,风载可能对它产生较大的威胁。通过四面锥状筒型桅杆的风洞试验 ,研究了桅杆模型在不同风向下 ,在雷诺数 1 .7× 1 0 5 Re 7.8× 1 0 5的范围中 ,其周向与轴向的表面压力分布 ,给出了桅杆模型表面压力系数沿周向与轴向的变化规律 ,并作了分析 ,阐明了其与风向、雷诺数之间的关系。通过桅杆模型表面压力的周向积分 ,得到了模型的升力与阻力 ,导出升力系数与阻力系数 ,并分析了二者随雷诺数及风向的变化规律。试验分析结果表明 :压力系数沿轴向的分布不均匀 ,靠近桅杆模型的中间部位 ,压力系数较大 ;在桅杆模型的两端 ,压力系数较小。压力系数沿周向的分布与风向有关 ,在迎风面上 ,压力系数最大 ,在背风面上 ,压力系数最小。升力系数与阻力系数也与风向密切相关 ,并且随着风向的变化 ,有较大的变化。在筒型桅杆设计中 ,应充分考虑到风向变化所引起的风载变化。     

风载荷下的大型远洋船舶风帆结构静力学仿真

以大型远洋船舶风帆为研究对象,参考国内外经验,设计一种新的风帆结构,利用Solidworks和ANSYS软件对该风帆进行有限元模型的建立及网格划分,并且对该风帆模型在7~10级风载荷下进行了仿真分析,最终得到了风帆模型在7~10级风载荷下的位移图和等效应力分布图。仿真结果表明,该风帆模型可承受10级及以下风载荷作用,同时也证明了该结构风帆的安全性和可靠性。     

封闭式综合集成桅杆风载分布特性研究

为了提高舰船的隐身性能,现代舰船已逐渐开始采用封闭式综合集成桅杆,因此研究典型封闭式综合集成桅杆的风载分布具有重要意义。利用计算流体力学软件对典型的正八面体封闭式综合集成桅杆风载分布进行数值模拟,研究了风向角为0°、12°及22.5°、雷诺数在2.92×106至1.55×107范围内桅杆的风载分布,分析平均压力系数、脉动压力系数及斯特哈尔数随雷诺数的变化规律,以及平均压力系数和脉动压力系数沿桅杆垂向和周向的分布规律。结果表明:平均压力系数和脉动压力系数均随雷诺数的增加而趋于稳定,且其沿桅杆垂向基本呈均匀分布而沿桅杆周向变化较大。     

海上风力发电机组支撑结构动力响应特性研究

支撑结构设计是大型海上风电机组设计的重要部分。文章分析了海上风电机组的各种环境载荷,并以3MW风力机组为例计算其所受环境载荷,包括作用在支撑结构顶端的由风机叶轮转动引起的水平轴向力、作用在塔筒上的风载荷以及作用在基础上的海流、海浪载荷,并采用非线性弹簧来模拟基础与海底土层之间的相互作用。在考虑风轮影响情况下,利用有限元法对支撑结构进行了模态分析。最后,分析了环境载荷作用下支撑结构的动态响应。计算结果表明,在对海上风力发电机组进行动态响应计算时,环境载荷之间的相互耦合作用不能忽略。     

高层建筑风荷载及抗风设计

随着轻质高强新型建筑材料的不断涌现,高层建筑不但建筑形式变化多样,而且结构体型也朝着高大、轻柔的方向发展。故风对高层建筑的影响越来越大。所以必须认真对待高层建筑中风荷载。本文通过简述风的起因、风的特征、风压及风荷载,更进一步说明了高层建筑中结构风振响应,从而达到风振控制以其实现采用非承重控制装置施加控制力抵御风振反应的设计方法。     

倾斜侧壁正八边形天线罩风载特性研究

风载是综合集成桅杆复合材料天线罩所受的主要载荷之一,研究天线罩的风载特性将对复合材料天线罩的结构设计具有重要指导意义。采用试验和数值模拟的方法对倾斜侧壁正八边形天线罩的风载特性进行研究,分析天线罩表面平均压力系数和脉动压力系数的周向分布规律,以及Strouhal数(St数)随雷诺数(Re数)和风向角的变化规律,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究结果表明:平均压力系数和脉动压力系数沿周向分布变化较大,不同风向角下St数随Re的增加趋于稳定值,平均压力系数和脉动压力系数计算值与试验值基本相近。     

Estimation of natural frequencies and damping using dynamic field data from an offshore wind turbine

The dynamic characteristics of offshore wind turbines are heavily affected by environmental loads from wave and wind action and nonlinear soil behaviour. In the design of the monopile structures, the fatigue load due to wind and wave loading is one of the most important problems to consider. Since the fatigue damage is sensitive to the foundation stiffness and damping, increasing the accuracy of analysis tools used in the design and optimization process can improve the reliability of the structure and reduce conservatism, thereby leading to a more cost-efficient design. In this context, analysis of field data is important for calibrating and verifying purposes. This paper presents analysis of measured accelerations and strains from a wind farm in the North Sea with monopile foundations. Field data during idling conditions, collected over long periods of operation, are analysed and the natural frequencies are determined, and damping is estimated. The measured natural frequencies are compared to calculated values using an aero-servo-hydro-elastic code, showing a good agreement in the frequency range below 2 Hz. Variation of the natural frequencies with intensity of loading may indicate effect of soil nonlinearity on the overall OWT response. Since the first natural bending modes have the largest potential to mobilize soil reactions, they are of primary interest in this context. The effect of load (wave, wind and dynamic bending moment) on the first natural frequency is investigated using different analysis techniques in the frequency domain and time domain. A clear correlation between load level and first natural frequency is demonstrated. A simple nonlinear SSI model of the tower/soil system is employed to numerically investigate the observed changes in the measured first natural frequency with the level of loading and increased overall damping. The simulated results reproduce the general trends in the observed reduction in the first natural frequency and increased damping ratio with the load level. However, the effect of the load level is less than that observed in the measurements, indicating contribution also from other factors than soil nonlinearity.