系泊Spar平台波浪中耦合运动的数值模拟及模型试验

为了研究恶劣环境载荷引起海洋结构物的非线性运动响应,文章基于三维时域格林函数理论,提出了采用时域物面非线性理论方法直接模拟系泊浮体时域耦合分析所需的水动力,建立了系泊浮体波浪中时域耦合运动的数学模型.该方法充分考虑了每时每刻浮体在瞬态波面下湿表面的变化,并计及平均水线面下瞬时空间位置的改变,系统研究了系泊Spar平台波浪中的耦合运动响应及系泊线张力.最后,将数值模拟结果与模型试验结果进行了比较,计算结果令人满意.     

系泊多浮体耦合系统水动力特性数值分析

基于系泊浮筒链防撞系统,利用AQWA软件对不同海洋环境下的系泊多浮体耦合系统进行全耦合时域分析,得到浮体的运动响应和缆绳受力情况。结果表明,系泊缆绳最大张力出现在端部系泊缆上,中部系泊缆的迎浪侧缆绳比背浪侧缆绳张力大;单纯波浪环境下,浮体平均横向位移较小,在初始位置往复运动,波流共同作用时浮体发生前后摆动,在水流前进方向运动量较大,而且不能回到初始位置。最后将数值模拟结果与现有试验结果进行对比,验证了该全耦合时域分析方法的可行性,能够为系泊多浮体耦合系统的水动力特性研究提供参考依据。     

畸形波作用下半潜式平台的极限生存能力评估

极限海浪可能对海洋平台的安全造成极大的威胁,故合理地评估平台在此海况下的运动响应和系泊缆索的动张力响应对平台设计具有重要意义。文章首先利用新波理论和随机海浪理论建立了畸形波入射波模型。然后利用间接时域方法和非线性有限元法分别建立了平台主体运动和系泊缆索动力响应的求解方程,并根据导缆孔的平衡方程建立了平台主体和系泊缆索的时域耦合运动方程。最后深入分析了某半潜平台在畸形波作用下的运动响应和系泊缆索的动张力响应,对平台的极限生存能力进行了评估。     

半潜式钻井支持平台在不规则波中的时域耦合分析

基于三维势流理论和莫里森方程,运用水动力软件AQWA,计算半潜式钻井支持平台的水动力特性。同时运用时域耦合方法,计算了风、浪、流共同作用下,半潜式钻井支持平台在三种工况(迎浪、斜浪和横浪)下的运动响应及系泊系统动力响应。时域耦合分析结果验证了该钻井支持平台满足规范要求。     

深水半潜式平台系泊系统设计研究

随着海洋平台逐步向更深水域的发展,系泊系统设计成了深海平台开发的关键问题之一.该文主要采用时域计算方法对系泊系统进行动力响应分析,给出了深水半潜式平台系泊系统的基本设计方法,并对2 000m水深的半潜式平台系泊缆索进行了8根与12根锚链线的系泊方案的对比分析,结果表明系泊方式不同,锚泊线的张力,系统的运动响应都受到了一定程度的影响.     

卸载浮标系统运动响应分析*

深水卸载浮标系统具有相对较小的排水量和惯性,其系泊缆索的质量、阻尼和刚度会对卸载浮标系统产生非常大的影响,因而对浮标和其系泊系统进行准确的耦合动力响应分析十分重要.应用边界元方法计算浮标的水动力,通过快速傅立叶变换,将频域计算结果变换到时域;基于全量的拉格朗日表述和两节点的等参索单元,应用几何非线性有限元方法和Newmark方法计算了系泊缆索张力;最后应用四阶龙哥库塔法计算浮标及其系泊缆索的时域耦合运动方程,得到浮标运动响应和缆索张力.     

大型滚装船码头系泊能力数值仿真研究

为了分析风浪流环境因素对于某大型滚装船码头系泊能力的影响,并准确评估码头系泊系统的安全性,本文基于三维势流理论,采用Ansys-aqwa软件,对某大型滚装船码头系泊进行频域水动力分析和时域耦合仿真分析。首先通过频域水动力分析研究该大型滚装船在规则波中的基本性能,然后通过时域耦合仿真计算研究该滚装船码头系泊能力及系泊系统的安全性,并分析计算了各工况下该滚装船的六自由度动力响应。     

桁架式Spar平台与系泊/立管系统的全时域非线性耦合动态分析

开发了对浮式平台系统进行耦合动态分析的全时域程序。采用二阶时域方法计算水动力荷载,在此方法中,对物面边界条件和自由水面边界条件进行泰勒级数展开,利用Stokes摄动展开分别建立相应的一阶、二阶边值问题,而且此边值问题的计算域不随时间变化。采用高阶边界元方法计算每一时刻流场中的速度势,利用四阶预报校正法对二阶自由水面边界条件进行数值积分。在自由表面加入一个人工阻尼层来避免波浪的反射。对于系泊缆索/立管/张力腿的动力分析,在一个总体坐标系中对控制方程进行描述,采用基于细长杆理论的有限元方法进行求解。在耦合动态分析中,采用Newmark方法对平台和系泊缆索/立管/张力腿的运动方程同时进行求解。利用开发的耦合分析程序对一个桁架式Spar平台的运动响应进行了数值模拟,给出了平台的位移和系泊缆索/立管上端点的张力,并得到了一些重要结论。     

系泊浮体在浅水波浪中运动响应的计算研究

对于船舶在浅水中的运动和锚泊系统响应问题,使用时域方法计算一艘起重铺管船在浅水无航速系泊状态下在波浪中的运动响应.基于三维频域势流理论,应用SESAM软件计算浮体在规则波中的频域水动力参数及运动响应.通过频域到时域的转换方法,得到浮体在时域中的水动力系数和不规则波的一阶与二阶波浪力.在时域内计算锚链拉力,再耦合数值求解浮体时域运动方程,得到其在不规则波中的运动时历.最后,采用本方法计算铺管驳船在多点系泊状态下,在浅水波浪中的6个自由度的运动响应和锚缆张力,并将计算结果与模型试验进行比较.分析表明本方法能够提供具有工程精度的船舶运动性能预报.     

海上养殖平台系泊系统耦合动力响应与疲劳计算

以某管架式海上养殖平台为例,计算平台-系泊系统耦合时域动力响应与系泊系统疲劳寿命,分析锚链拉力统计特性、平台运动规律、疲劳损伤成分比例等因素的影响。研究发现系泊系统动力响应具有明显的非线性特征,定常漂移力对本平台系泊系统极限载荷有重要影响,而波频振荡是产生疲劳损伤的主要因素。计算结果表明,系泊缆能够有效限制平台运动,且疲劳寿命满足设计要求,可为类似平台的设计和安全性评估提供参考。     

考虑浮体弹性变形的锚泊系统分析方法

传统的锚泊系统分析方法一般是假设结构物为刚性不可变形的,这种假设对于常规海洋结构物的锚泊系统分析,其精度是可以接受的,然而对于弹性体(比如超大型浮体)来说,这种浮体刚性的假设显然是不合理的.本文基于摄动理论,分别给出了锚泊浮体(同时包括弹性体和刚性体)和锚泊系统的一阶运动方程.分别用三维水弹性理论和Goodman-Iance法求解浮体的动力响应和锚泊线的运动,并给出了两者之间的协调关系.通过数值算例分析表明,对于超大型浮体,其弹性特性对锚泊系统特性的影响是不可忽略的.     

漂浮式海洋能平台运动响应耦合预报研究

随着海洋工程向远海发展,漂浮式海洋能平台的运动响应预报问题成为研究的热点之一.本文以漂浮式海洋能平台为研究对象,首先基于间接时域法,建立浮式平台时域运动方程,然后基于悬链线理论和全矢量形式的三维集中质量法,建立系泊系统运动方程.在使用自行开发的计算程序对以上方程进行求解获得初值后,以系缆和浮式平台的受力和位移作为2个运动方程的交互输入与输出,建立浮式平台与系泊系统的全耦合计算方法.最后对简化的浮式海洋平台进行计算,分析载体平台的运动响应和系缆受力情况.本文可为解决相关工程问题提供参考和借鉴.     

海上风力发电平台概念设计及系泊系统特性研究

为实现海上风力发电平台工作状态的准确预报,本文采用有限元软件建立浮式风力发电平台三维模型,完全时域耦合分析在不规则波作用下,浮式风力发电平台动力响应特性.通过时域结果对比分析可知,在风浪流同向作用下,浮式风力发电平台的运动响应幅值及系泊缆索顶端张力最大.通过运动响应时间历程曲线可知,横荡运动和横摇运动表现为低频特性,垂荡运动表现为波频特性,以上研究成果可为浮式风力发电机的优化设计提供一定的指导,并可为将来的相关试验提供一定参考.     

Validation of a dynamic mooring model coupled with a RANS solver

Standard design procedures and simulation tools for marine structures are aimed primarily for use by the offshore oil and gas. Mooring system restoring forces acting on floating offshore structures are obtained from a quasi-static mooring model alone or from a coupled analysis based on potential flow solvers that do not always consider nonlinear mooring-induced restoring forces, fluid structure interactions, and associated hydrodynamic damping effects. This paper presents the validation of a dynamic mooring system analysis technique that couples the dynamic mooring model with a Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations solver. We coupled a dynamic mooring model with a RANS equations solver, and analyzed a moored floating buoy in calm water, regular and irregular waves and validated our motion and mooring force predictions against experimental measurements. The mooring system consisted of three catenary chains. The analyzed response comprised decaying oscillating buoy motions, linear and quadratic damping characteristics, and tensile forces in mooring lines. The generally favorable comparison of predicted buoy motions and mooring forces to experimental data confirmed the reliability of our implemented coupling technique to predict system response. Additional comparative results from a potential flow solver demonstrated the benefits of the coupled dynamic mooring model with RANS equations. The successful validated tool of coupling the dynamic mooring model with the RANS solver is available as open source, and it shows the potential of the coupled methodology to be used for analyzing the moored offshore structures.     

深水SPAR风机系统全耦合动力响应分析研究

文章采用联合开发的计算程序对深水SPAR风机的浮体、锚泊和风机各子系统进行了水—气动力的全耦合数值分析,研究了深水浮式风机系统的动力响应特点。浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块。以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法。通过对NREL的5MW SPAR风机系统在随机海况下的水动力响应分析,验证了该方法的有效性,并分析了浮式风机子系统间的混合动力作用。     

浮式风机气动-水动耦合特性数值模拟（英文）

The exploration for renewable and clean energies has become crucial due to environmental issues such as global warming and the energy crisis. In recent years,floating offshore wind turbines(FOWTs) have attracted a considerable amount of attention as a means to exploit steady and strong wind sources available in deep-sea areas. In this study, the coupled aero-hydrodynamic characteristics of a spar-type 5-MW wind turbine are analyzed. An unsteady actuator line model(UALM) coupled with a twophase computational fluid dynamics solver naoe-FOAM-SJTU is applied to solve three-dimensional Reynolds-averaged NavierStokes equations. Simulations with different complexities are performed. First, the wind turbine is parked. Second, the impact of the wind turbine is simplified into equivalent forces and moments. Third, fully coupled dynamic analysis with wind and wave excitation is conducted by utilizing the UALM. From the simulation, aerodynamic forces, including the unsteady aerodynamic power and thrust, can be obtained, and hydrodynamic responses such as the six-degrees-of-freedom motions of the floating platform and the mooring tensions are also available. The coupled responses of the FOWT for cases of different complexities are analyzed based on the simulation results. Findings indicate that the coupling effects between the aerodynamics of the wind turbine and the hydrodynamics of the floating platform are obvious. The aerodynamic loads have a significant effect on the dynamic responses of the floating platform, and the aerodynamic performance of the wind turbine has highly unsteady characteristics due to the motions of the floating platform. A spar-type FOWT consisting of NREL-5-MW baseline wind turbine and OC3-Hywind platform system is investigated. The aerodynamic forces can be obtained by the UALM. The 6 DoF motions and mooring tensions are predicted by the naoe-FOAM-SJTU. To research the coupling effects between the aerodynamics of the wind turbine and the hydrodynamics of the floating platform, simulations with different complexities are performed. Fully coupled aero-hydrodynamic characteristics of FOWTs, including aerodynamic loads, wake vortex, motion responses, and mooring tensions, are compared and analyzed.     

Dynamic coupled analysis of the floating platform using the asynchronous coupling algorithm

This paper discusses the numerical modeling of the dynamic coupled analysis of the floating platform and mooring/risers using the asynchronous coupling algorithm with the purpose to improve the computational efficiency when multiple lines are connected to the platform. The numerical model of the platform motion simulation in wave is presented. Additionally, how the asynchronous coupling algorithm is implemented during the dynamic coupling analysis is introduced. Through a comparison of the numerical results of our developed model with commercial software for a SPAR platform, the developed numerical model is checked and validated.     

远海作业锚泊定位大型抓斗船时域耦合分析

在环境复杂、作业水深较大的远海开敞海域进行作业时,大型抓斗船需采用锚泊定位方式,且船体运动响应受风浪影响较大。同时,在抓斗提升和旋转过程中,抓斗运动速度快,提升质量大,抓斗出水时全船所受载荷发生瞬时变化,加上复杂环境载荷的作用,对船舶安全具有很大影响。以适用于远海开敞海域、采用锚泊定位方式的200m3级大型抓斗疏浚船为研究对象,建立了船舶的水动力计算模型,对其运动响应RAO和载荷RAO进行了计算分析。考虑船舶主体、抓斗及锚泊系统之间耦合作用的影响,对抓斗作业时提升和旋转过程中船舶运动响应和锚泊线张力进行时域动力分析,得到了该船动力载荷结果,为后续的设计工作提供基础。     

海上半潜式浮式风机平台系泊系统对比研究

选取5MW-OC4深水半潜式浮式风机平台为参考模型,利用AQWA软件建立半潜式浮式风机平台模型,在频域范围内计算浮式风机平台运动响应,得到平台幅频响应曲线,以验证数值分析的可靠性。选取3种浮式风机平台系泊系统,对比研究系泊系统改变对浮式风机平台运动响应的影响规律,同时分析极端环境条件下单缆失效对浮式平台运动响应及系泊缆张力的影响。计算结果对浮式风机平台系泊系统的优化设计有一定的参考意义。