漂浮式风力机在纵摇运动下的气动性能数值研究

与固定式风力机不同,漂浮式风力机气动性能受六自由度平台运动影响。其中,平台纵摇运动的影响尤为重要。本文基于计算流体力学(CFD)方法,使用IDDES模型和重叠网格技术,研究漂浮式风力机气动性能在纵摇运动影响下的特性。使用实验数据验证数值模型,对漂浮式风力机在纵摇运动影响下的气动响应和周围流场实施数值模拟。结果表明,漂浮式风力机气动响应与平台纵摇运动同周期变化,且叶轮推力、扭矩的幅值以及平均功率随纵摇运动振幅增加而增大,随纵摇运动周期增加而减小。此外,发现漂浮式风力机在纵摇运动中的动态失速和尾涡干扰现象。漂浮式风力机的纵摇运动将对其气动性能产生较大影响,因此应在设计阶段予以考虑。     

FPSO内孤立波载荷实验观测及理论预报模型研究

利用大型密度分层水槽开展了下凹型内孤立波作用在FPSO上的载荷特性系列实验;并依据实验工况,考虑KdV、eKdV和MCC内孤立波理论的适用性条件,数值研究了FPSO内孤立波载荷成分构成;基于实验结果和载荷成分构成,建立了FPSO内孤立波载荷的理论预报模型.研究表明:FPSO内孤立波水平载荷由粘性力和Froude-Krylov力组成,而垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力;Froude-Krylov力可通过动压力沿FPSO浮体湿表面积分得到,粘性力则通过经实验回归的摩擦系数Cf、形状修正因数K乘以内孤立波诱导水质点切向速度沿FPSO浮体湿表面积分得到.系列实验结果得出:摩擦系数Cf和形状修正因数K与雷诺数Re、KC数和流体层深度比h1/h有关;摩擦系数与Re呈自然对数关系;而形状修正因数K与KC数呈幂函数关系.理论预报模型预报的水平载荷、垂向载荷结果均与系列实验和数值结果吻合较好,并且发现随着内孤立波振幅的增加,载荷幅值近乎线性增加,而且上层流体深度对水平力幅值有明显的影响.     

基于CFD的内河船深浅水中操纵性预报

由于岸壁效应和浅水效应,内河船舶在限制水域作操纵运动时通常受到比在开阔水域中更大的水动力.这些水动力对船舶操纵性具有不利影响,有可能导致船舶碰撞或触底等海上事故.因此,为了在船舶设计阶段预报其操纵性能,考虑浅水效应和岸壁效应以准确计算内河船舶操纵运动水动力非常重要.本文基于CFD方法,通过对粘性绕流进行数值模拟,对长江中营运的三艘内河船舶的操纵运动水动力进行计算.首先,为了验证数值方法的可靠性,对标模KVLCC2纯横荡和纯首摇试验的水动力进行计算,并将计算结果与现有的试验数据进行对比.然后,对三艘内河船舶在不同水深下的静舵试验、纯横荡和纯首摇试验进行数值模拟,计算得到水动力及相应的线性水动力导数.最后,基于计算得到的水动力导数,获得Nomoto模型中的操纵性参数,对比分析三艘内河船舶在深浅水中的操纵性能.结果表明,本文方法可以揭示不同水深下三艘内河船舶的操纵性变化趋势.该方法可为船舶设计阶段内河船舶深浅水中的操纵性预报提供一种实用的工具.     

"雪龙2"号南极首航破冰试验

为在自然条件下实尺度测试"雪龙2"号的破冰能力,2019年11月"雪龙2"号在南极首航期间,中国在南极考察站——中山站附近普里兹湾固定冰区,首次自主开展了一系列专业破冰试验.通过选取破冰区域、实地测量冰雪厚度、钻采冰芯测量冰温度和盐度、切取完整冰坯并加工冰梁,完成了冰弯曲强度试验和艏艉双向破冰时的实船数据测量,首次获取了中山站附近固定冰的弯曲强度力学特性,成功验证了"雪龙2"号的破冰能力.本文详细介绍了"雪龙2"号现场破冰试验,并根据测量的海冰特性和船舶破冰航行数据对其艏向破冰能力进行了初步评估,摸索了一套在极地冰区开展破冰船破冰试验的方法,同时也对现场破冰试验中需要改进的方向提出了思考,可为我国新的破冰船建设提供参考.     

基于改进遗传算法的双向渐进结构优化方法研究

本文提出了一种基于改进遗传算法的软删除双向渐进结构优化法(G-BESO),以解决传统双向渐进结构优化法(BESO)中参数(如进化率)设置不当而导致无法获得最优拓扑构型的问题.首先确定单元权重系数与单元密度的递推关系式,形成一种考虑单元密度历史信息的材料插值模型,从而增强恢复误删高效单元的能力.然后引入遗传算法中的交叉和变异操作,启发式地更新结构状态以提高全局寻优能力.最后将该方法编写成可用于实际工程结构优化设计的程序.算例表明,提出的方法能稳定得到最优拓扑形状且计算效率更高,可为工程结构的拓扑优化设计提供一定参考.     

加周期纵肋圆柱壳声辐射

本文研究了水中加周期纵肋圆柱壳在点力激励下的声辐射特性.壳体振动采用薄壳理论的Donnell方程描述,纵肋振动采用相互独立的梁的纵振动和弯曲振动方程描述.通过周向模态展开和轴向Fourier变换导出圆柱壳体径向振速表达式,使用波数域稳相法积分得到了远场辐射声压的解析解.数值计算给出了接收点正对激励点情况下的远场辐射声压级,并据此进行了机理分析.在加周期纵肋无限长圆柱壳中存在两类辐射机理:亚音速的弯曲波辐射和超音速的Bloch弯曲波分量辐射.由于圆柱壳体表面存在曲率,亚音速的弯曲波也能辐射极小部分能量到远场,并形成频带极窄的共振峰.加周期纵肋圆柱壳在周向是一种无限周期结构,存在多阶次的Bloch弯曲波.低于水中声波数的Bloch弯曲波分量能够通过相位匹配的方式高效辐射到远场.Bloch弯曲波的辐射存在一定的频率下限,其下限与纵肋的间距有关,纵肋间距越大辐射的频率下限就越低.     

半潜式平台波浪砰击测试方法与载荷特性研究

本文采用模型试验的方法对半潜式钻井平台受到的水平波浪砰击载荷进行了研究.为了克服模型结构动力响应的影响,试验时设计了专用的测量单元用于监测波浪砰击载荷,并采用小波分析的方法对砰击载荷试验数据进行降噪处理.试验结果表明:半潜式平台水平波浪砰击载荷的发生频率和砰击冲量随有义波高的增加而增加,但砰击载荷幅值则体现了显著的非线性和随机性特征,砰击载荷冲量的随机性和发散性则相对较小;平台立柱与箱型甲板连接处的砰击载荷较大,大多数海况下后立柱砰击频率和砰击载荷幅值比前立柱更高.     

焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响

耐压球壳通常采用焊接方式将两个半球壳连接成整球,在焊缝处产生的接近材料屈服强度的焊接残余应力对球壳的承载能力有多大的影响,是否需要做焊后消除残余应力处理,将直接影响球壳的安全性和生产成本。而现有对球壳极限强度计算,无论是理论计算还是数值计算,均只考虑了球壳初始缺陷中的几何缺陷对球壳极限强度的影响。该文将在现有的耐压壳极限强度设计公式基础上,采用数值计算的方法对耐压球壳的焊接过程进行数值模拟,得到焊后球壳的焊接残余应力分布,并在此基础上考虑残余应力对球壳极限强度的影响,结果表明,对于大潜深厚球壳,焊接残余应力对耐压球壳承载能力影响不显著,为大深度潜器耐压球罐是否需做焊后消除残余应力处理提供了一定的参考依据。     

张力腿式浮式风机平台的水动力和空气动力耦合响应分析

文章采用了空气动力、水动力、控制与弹性完全耦合的时域模拟方法研究了张力腿式浮式风机平台的动力响应.水动力载荷的计算采用了三维势流理论与Morison公式.空气动力载荷的计算采用了叶素动量理论和广义动态尾流理论.利用FAST软件得到了张力腿式浮式风机平台响应的时域结果,并分析了其动力响应特性.建立了描述平台纵荡运动的非线性微分方程,并采用了摄动方法求得其近似解,解释了纵荡运动中由非线性粘性效应引起的高频响应.对数值模拟结果的分析表明高频的响应分量对平台的动力性能有显著的影响.