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。     

Trussspar平台垂荡一纵摇耦合运动数值模拟研究

采用SESAM软件建立平台模型进行数值模拟,得出平台在规则波浪中附加质量系数、阻尼系数和波浪力,建立平台垂荡-纵摇耦合方程,采用龙格库塔法求解该非线性方程,借助于Matlab软件编制计算程序,建立了垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法.针对Spar平台垂荡-纵摇耦合运动响应问题,与SESAM软件中的算法相比,本研究建立的垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法更接近实际情况.     

新型漂浮式垂直轴风力发电机平台的动态响应分析

针对一种功率为50 kW的H型垂直轴风力机,为解决传统半潜式平台垂荡响应大的问题,设计一种安装垂荡架的半潜式风力机平台。考虑风、流及波浪载荷的综合作用,采用绕射/辐射理论和水动力分析方法,对传统平台和垂荡架平台的运动进行数值模拟,结合正交设计方法研究外浮筒数目、垂荡架安装位置、垂荡架形状对平台运动响应的影响。结果表明,在频域分析中,与传统平台相比,垂荡架平台在垂荡、纵荡、纵摇3个方向上的响应极值均有明显降低,垂荡响应极值减小10.4%;时域耦合分析结果与频域分析规律相同,垂荡架平台在垂荡、纵荡、纵摇3个方向上的响应极值、标准差均比传统平台降低,表明安装垂荡架后平台的稳定性更好;正交试验结果表明,对半潜式垂荡架平台垂荡时域RAO极值影响最大的因素是外浮筒的数目,其次是垂荡架布置位置,影响最小的是垂荡架的形状。     

浅水中海洋核动力平台低频响应分析

与采用理论公式生成的波浪谱不同,实际浅水中的波浪谱密度在0～0.2 rad/s频率范围内会出现明显的低频能量成分,这会对海洋核动力平台的低频响应产生极大的影响。因此,基于数值模拟和水池试验2种方法得到的波浪谱,采用频域数值计算,分析平台在浅水中2种不同波浪谱下的纵荡、垂荡和纵摇低频响应。结果表明,与数值模拟波浪谱相比,在水池试验得到的实际浅水波浪谱中,平台的纵荡1阶低频运动响应和2阶低频波浪慢漂力,以及垂荡1阶低频波浪力和1阶低频运动响应都存在明显的增大,这说明在进行平台浅水水动力预报时需要重点考虑波浪谱中低频能量成分对平台低频响应的影响。本文可为其他同类型船体在浅水中的低频响应预报提供参考。     

基于AQWA计算规则波中新型海工船的运动响应

本文应用三维势流理论的水动力软件AQWA分析一种新型工程船舶在波浪中的运动响应,新型船为改造的波兰中型集装箱船B-573,设计搭载Pram型艉和POD吊舱式推进系统的新型海工船.本文计算此船在规则波中不同浪向角条件下的六个自由度的频域和时域的运动响应,得到在不同浪向角下船体的响应振幅算子RAO,计算船舶顺浪下不同船速的垂荡RAO以及纵荡、垂荡和纵摇三个自由度的一阶、二阶波浪力,分析结果显示该新船型具有良好的耐波性.     

立柱附体对半潜式平台水动力性能的影响

增加立柱附体是改善半潜式平台性能的常用措施之一。文章为研究立柱纵向增加附体以及改变附体形状对半潜式平台水动力性能的影响,通过数值计算和模型试验,分析了立柱附体对平台运动固有周期和阻尼、平均波浪力、运动RAO以及不规则波作用下运动响应等的影响规律。结果表明:纵向立柱附体可以减小平台纵向平均波浪力以及平台的纵摇运动RAO,可显著改善平台在极端海况下的垂向运动响应;立柱附体的截面形状变化则几乎没有影响。     

Spar平台垂荡一纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。     

浅水FPSO垂荡和纵摇运动的低频响应

对软刚臂系泊FPSO在浅水不规则波作用下的垂荡和纵摇运动响应进行数值计算与模型试验研究,水深16.7 m.试验中的波浪校验结果显示,在波浪谱中出现明显低频长波成分.计算结果与试验结果均显示,垂荡和纵摇波浪力、运动响应既有传统的波频成分,也出现显著低于波浪频率的低频成分,而且低频响应的能量和幅值甚至会远大于波频响应.垂荡和纵摇运动的低频响应不具有能量集中的共振频率,而是具有较宽的低频能量分布.这种显著低频响应的出现,与浅水中低频长波的存在有关,表明其不仅对系泊FPSO水平面运动性能影响极大,也会显著影响垂荡和纵摇这类垂直面运动的波浪力和运动响应,在理论预报时需要予以重视.     

浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应特性

基于三维势流理论,利用水动力分析软件AQWA对浅水中浮式栈桥单浮箱系泊系统及运动响应进行研究。对初步设计的多种系泊系统进行优选,并计算浮箱在最优系泊系统下的运动响应幅值算子RAO。结果表明:聚酯缆材料极易疲劳破坏,浅水中交叉型半张紧式锚链系泊表现出良好的系泊性能。浮箱的振幅响应算子RAO与波浪周期变化及波浪作用方向有不可分割的关系,当波浪入射角为120°~150°时,浮箱的纵荡及纵摇RAO较大。为保证较小的垂荡值,浮箱布置可沿入射波方向。为保证较小的首摇角,浮箱布置应避免与来浪呈120°的入射角。     

和型组合共振激励下深海SPAR平台运动稳定性分析

深海SPAR平台在环境载荷作用下的运动稳定性问题已经成为当前的研究热点。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方式,在不考虑系泊张力影响并且满足组合共振条件情况下,探讨当波浪幅值达到一定程度时垂荡、纵摇响应的局部分岔现象。结果表明：在组合共振发生时,垂荡、纵摇响应均变得不稳定,而且纵摇响应幅值较大;垂荡固有频率与两倍的纵摇固有频率之间的偏差越大,激起纵摇分岔现象需要的波浪幅值越大;波浪频率在一定范围内的变化对a5曲线影响不大,但当波浪频率与垂荡和纵摇固有频率之和的偏差超过一定范围时组合共振现象会消失。     

Hydroelastic code-to-code comparison for a tension leg spar-type floating wind turbine

The development of robust design tools for offshore wind turbines requires knowledge of both wave and wind load models and response analysis. Verification of the numerical codes is required by the use of experiments and code-to-code comparisons. This paper presents a hydroelastic code-to-code comparison between the HAWC2 and USFOS/vpOne codes for a tension leg spar (TLS) wind turbine with a single tether. This concept is hence based on the TLP and Spar concepts. The comparison is performed using coupled hydroelastic time domain simulations. Several aspects of modelling, such as wave simulation, hydrodynamic and structural modelling, are addressed for the TLS. Wave-induced motions of the support structure affect the power performance of a wind turbine. Furthermore, overload of the tension leg should be avoided. In this paper, the motion and tension responses are compared. The tension leg introduces nonlinear effects on the spar motion. These nonlinear effects include combined-frequency effect such as double, difference and sum of wave, as well as natural pitch and surge frequencies. Hydrodynamic loads are based on a combination of the Morison formula and the pressure integration method. A comparison indicates that the motion and tension responses obtained in the two codes are in good agreement.     

考虑流固耦合影响的桩基波浪力简化计算方法

离岸深水全直桩码头,由于其桩基的自由高度大、柔度增加、自振周期长,且位于无掩护开敞海域,波浪与结构相互作用问题突出。如何考虑流固耦合作用对桩上波浪力的影响,并建立便于工程应用的计算方法,是工程实践提出的亟待解决的课题。文中利用有限元软件ADINA建立了水体和桩基结构相互作用的三维有限元数值模型,并采用有限元数值模型对考虑流固耦合影响的改进Morison波浪力计算公式进行了验证。采用改进Morison波浪力计算公式研究了流固耦合对桩身波浪力的影响,并给出了考虑流固耦合影响的波浪力放大系数图表。在此基础上,提出了考虑流固耦合影响的波浪力简化计算方法。     

Accelerated second-order hydrodynamic load calculation on semi-submersible floaters

A rapid method for calculation of second-order hydrodynamic wave loads on semi-submersible platforms is developed and validated against radiation–diffraction theory. The method is based on slender-body theory and builds on modal truncation of the quadratic transfer function (QTF). The semi-submersible floater is split into individual members and the existing theory for vertical cylindrical columns is extended to include the heave force. Further expressions for the surge, heave and pitch load on the horizontal pontoons are derived and implemented. The accuracy of the method is assessed by comparison to radiation–diffraction results using the Pinkster approximation. We find that the slender-body approximation for the column surge force is most accurate for small values of the diameter-to-draft ratio. For the three sea states considered, this error is below 10% for diameter-to-draft ratios less than 0.2.Error analysis is provided for the column heave and pitch and the pontoon loads. For all members, application of 128 modes in the QTF approximation is found sufficient to accurately represent the full slender-body QTF solution.Next, the first- and second-order loads on the full floater under different sea state conditions are compared to radiation–diffraction theory. With 128 modes, the second-order loads are obtained 2500 times faster than with conventional approaches with error levels of 22% for surge, 10% for pitch and zero error for heave. The surge error is discussed and linked to the small draft of the columns. The numerical efficiency of the method allows the consideration of second-order loads in the first stages of the design and optimisation of semi-submersible floaters.     

Truss Spar平台总体结构强度分析

在南海百年一遇海况条件下,综合考虑风、浪、流载荷的联合作用,在频域范围内计算平台的纵摇和横摇极值响应以及锚缆的张力。根据不同浪向下的结构应力谱分析确定的设计波参数,基于三维势流理论和Morison公式计算一阶波浪力,采用规范推荐的公式计算风、流载荷。在准静力条件下,根据ABS规范推荐的强度准则,针对精细化的混合有限元结构模型进行总体强度分析。     

单柱式浮式风力机动力响应数值与试验分析

以200 m作业水深的5 MW OC3单柱式浮式风力机为研究对象,采用FAST程序对其在不同海况下的运动进行全耦合时历数值计算,并与采用1∶50缩尺比模型试验所得时历结果进行对比,通过时域以及频域方法对平台主要自由度运动以及系泊拉力进行分析。研究发现:垂向运动带来的自由面记忆效应较纵向和横向小;悬链线式模型所能提供的系泊拉力较张紧式系泊提供的拉力小;风浪联合作用下,风载荷主要激励低频固有频率运动,波浪载荷则主要激励波频运动;平台纵荡和纵摇运动受系泊系统的影响较大,而垂荡运动则不受系泊系统的影响。     

中、英、美规范计算小尺寸桩(柱)波浪荷载的对比

为了研究中、英、美规范关于小尺寸桩(柱)的波浪荷载计算方法的异同点,针对港口工程中桩基结构的特点和实际项目中的波浪条件,通过不同的案例,对影响计算结果的各因素进行敏感性分析。结果表明,中、英、美规范中,计算小尺寸桩(柱)波浪荷载的基本原理相同,均采用Morison方程; 3种规范计算结果的变化规律基本一致;波浪计算理论、惯性力系数CM的取值、海洋生物影响及群桩效应考虑与否,是导致计算结果存在差异的主要原因。     

FPSO舷外排水管及支撑结构强度分析

采用三维势流理论和MORISON公式相结合的方法,预报了FPSO舷外排水管的波浪载荷,并进一步应用梁系方法和有限元方法对排水管及其支撑结构进行了强度评估。为类似海洋工程结构物舷外排水管及支撑结构的波浪载荷预报和强度分析提供了一条解决途径。     

波高对桩柱最大水平波浪力新算法精确性影响

对Morison方程进行适当变形、推演,得到了一种可直接计算近海平台支撑物所受最大水平波浪力的计算方法。将此计算方法与经典计算法进行对比。对比发现,当阻力相对于惯性力起主要作用时,新算法与经典算法所得结论完全一致。当惯性力相对于阻力起主要作用时,新算法存在一定偏差,在该情况下,使用Matlab辅助计算,得到了波高对桩柱最大水平波浪力新算法精确性的影响曲线。     

中长周期波下防波堤导航灯基础波浪力计算方法

作为防波堤导航灯的基础，其所处位置一般为整个码头工程中波浪条件最为恶劣的区域，而导航灯基础又兼具防浪墙及独立墩柱的双重特性，因此其波浪力的计算较为复杂。基于实际工程项目，通过中外不同规范、手册对防波堤导航灯基础波浪力计算方法进行对比分析，并结合物模试验结果，提出在中长周期波作用下，为保证导航灯基础的稳定并留有一定富余，建议其波浪力采用Morison公式进行计算，同时需采用Martin公式对波浪力计算结果进行复核。分析成果可为类似项目及国内规范修订提供参考。     

下凹型内孤立波对细长潜体运动特性影响的实验研究

在大型重力式分层流水槽中,采用重力塌陷造波和模型半柔性约束方法,结合位移和倾角测量技术,对下凹型内孤立波作用下的细长潜体模型运动特性进行了实验研究,获得了模型垂/纵荡、横/纵摇和质心轨迹运动规律。研究表明:细长潜体模型在下凹型内孤立波作用下的质心运动轨迹近似于椭圆;模型垂/纵荡和横/纵摇运动主要受到波幅因子α(内波波幅与模型长度之比)和潜深的影响;当α固定时位于内孤立波上/下方的模型主要表现为纵荡,而位于穿越内孤立波位置的模型主要表现为垂荡,实验进一步证实了模型运动特性与内孤立波内部流场分布的相关性。