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.     

半潜平台内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论KdV、e KdV和MCC的适用性条件为依据,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对半潜平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下半潜平台水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,半潜平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。此外,半潜平台对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison和傅汝德—克雷洛夫力公式计算其内孤立波载荷是可行的。     

自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析

本文利用奥辛涡(Oseen vortex)模型,应用涡声理论研究了自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射问题,并在此基础上进行了频谱分析.经分析知点涡粘性衰减过程的外声场具有窄频段、频谱分布曲线峰值特征明显等特点,其远场声压及其频谱分布情况与粘性系数有一定的关联.     

两层流体中运动物体的兴波特性

研究了在两层流体中定常运动的三维物体产生的内波尾流场特性.在势流理论假设下,基于Green第三公式,建立了一组基于Rankine源的分层变形边界积分方程,提出了一种基于四节点双线性等参元的数值实现方法,有效地处理了在场点处立体角的计算和数值积分中的奇异性问题.对定常运动三维球体产生的表面波和内界面波进行了数值模拟,并与定常运动点源的结果进行了比较.     

气液物性参数对严重段塞流特性影响研究

针对海底油气传输常见的下倾管—立管系统严重段塞流问题,采用严重段塞流形成条件一致的等效原则,发展了一种将三维流动转化为二维的数值模拟方法,仿真结果与相关的以水和空气为流动介质的实验结果吻合较好.在此基础上,利用该方法研究气液物性参数对严重段塞流的影响,分别选取水、原油和煤油为液体介质,甲烷和空气为气体介质,对管道内出现的严重段塞流进行数值模拟.研究发现,液体粘性、密度和表面张力对严重段塞流的流动过程、周期、压力波动、含气率和液塞速度均有显著影响,而气体物性变化对严重段塞流的影响较小.文中研究有助于深入揭示物性参数对严重段塞流的作用,同时也为评估不同海底油气田的严重段塞流危害提供了理论支持.     

直立圆柱体内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论(KdV、eKdV和MCC)的适用性条件为依据,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,建立了两层流体中内孤立波对直立圆柱体强非线性作用的数值模拟方法.结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且直立圆柱体内孤立波水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合.直立圆柱体内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;对于水平力,其波浪压差力与粘性压差力量级相当,流体粘性的影响显著;对于垂向力,粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略.此外,直立圆柱体对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison公式和傅汝德—克雷洛夫力分别计算其内孤立波水平力和垂向力是可行的.     

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。     

圆弧型贯底式防波堤防浪效果的解析研究

给出了圆弧型贯底式防波堤防浪效果计算的解析方法.假定防波堤刚性、薄壁、不透浪,水深恒定.假想存在一个圆柱面,把流场划分为内外区域,在每个区域上将速度势用特征函数展开,然后在它们的公共边界上进行匹配,匹配的原则是公共边界上速度连续,压力连续,从而可得到关于未知系数的一组线性代数方程组,解出未知系数,即可求得流域中任意一点的速度势和波高.数值结果给出了不同入射波波长及防波堤所对不同圆心角时防波堤周围波幅的等高线图.结果表明:圆弧型贯底式防波堤具有很好的防浪效果,通常情况下,掩护区域内的波高仪为入射波波高的20%～50%,对于短波,甚至可降到10%.     

大数量桩柱波浪力的机理研究

研究了大数量桩柱的波浪力特性，基于特征函数展开和块矩阵求逆方法，导出了一种计算大数量桩柱波浪力的递推算法，数值结果表明，在周期性布置的桩柱阵列中，在某些特定的波浪频率下，存在“波浪频率下，存在”波浪俘获“现象，当发生波浪俘获时，波浪力的幅值可呈几倍到几十倍的增加，采用不等间距的桩柱，可有效地减小桩柱在特殊频率下的受力幅值。     

亚临界区雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性研究

采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明,在亚临界区雷诺数下电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。