动力定位深海采矿船作业过程数值分析

深海采矿是一种高科技且高难度的深水、超深水采矿技术,以往的研究成果中对采矿船动力定位过程与立管及设备耦合分析尚不充分.该文采用势流理论分析采矿船水动力性能,采用集中质量法与Morison方程对立管与中继舱进行动力学建模.船舶动力定位系统采用PID控制器结合Kalman滤波进行建模,同时模拟了推力分配单元,充分计及动力定位对耦合运动系统的影响,完成采矿船动力定位过程中的深海采矿系统时域耦合数值分析;计算获得指定海况下的采矿船、中继舱的运动状态,立管的张力以及推进器推力等信息;分析了动态模拟中动力定位的影响.仿真过程对于深海采矿设计分析具有参考价值.     

海洋立管涡激振动的数值模拟研究

利用计算流体力学软件CFX分别对刚性和柔性立管的涡激振动进行了二维数值模拟.首先在雷诺数为200时,采用不同的湍流模型,计算了刚性立管的升力系数(CL)和阻力系数(CD).与其它文献结果的比较表明,大涡模拟(LES)在计算精度上要优于其它湍流模型.然后分别计算了不同约化速度下立管的升、阻力系数、漩涡脱落频率以及无因次振幅,分析了流固耦合对立管涡激振动的影响,得到了升阻力系数随雷诺数的变化规律以及“锁定(Lock-in)”现象发生的约化速度范围.     

光滑深海立管涡激振动 DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SSTk-ω湍流模型基础上的 DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定 DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

光滑深海立管涡激振动DES模拟

针对深海立管涡激振动流场建立计算模型,分析了第一层网格高度、网格数量、时间步长对深海立管涡激振动DES模拟的升力系数、阻力系数、斯特罗哈尔数的影响,通过与文献中实验、计算数据的对比,说明SST k-ω湍流模型基础上的DES方法模拟低雷诺数深海立管涡激振动准确合理;网格第1层高度对计算精度影响较大,按0.51确定DES方法的第1层网格高度可得到满足要求的。     

深海立管固有频率影响因素分析

当深海立管自身的固有频率与由立管的顶张力、自重以及波浪共同作用下产生的振动频率相近时,立管会发生耦合共振,导致立管的损伤甚至失效。采用数值模拟的方法研究了立管的边界条件、本身物理参数和顶端张力等因素对立管固有频率的影响。在Abaqus软件中建立了简化的立管模型,并比较、分析了立管在3类不同边界条件下的立管振动特性。然后,在第3类边界条件的基础上,分析了上述因素对立管1阶固有频率的影响。最后,基于上述研究工作,得出结论。     

深海立管参激振动研究综述

由于浮式平台升沉运动的影响,导致立管在水平方向上发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性,此外,参激振动与涡激振动联合作用会改变立管振动响应特性,加剧立管疲劳破坏。为对深海立管参激振动进行深入研究,通过总结国内外立管参激振动研究的主要成果,介绍了立管参激振动的主要特点和动力学模型,归纳了深海立管参激振动研究的主要方向,并就研究中较为薄弱的一些环节,提出了一些建议。     

深海立管系统参数激励试验模拟装置设计

深海海洋立管在海洋环境中,受到各种不同的破坏作用,其中以海水流动引起的涡激振动和平台垂荡产生的参数振动最为明显而备受关注。而对立管的作用更为复杂的是参激—涡激联合振动。为了便于对参数振动进行研究,以及参激—涡激联合振动的研究得以展开,设计了海洋立管参数激励装置。通过PLC控制两台双轴的步进电机分别来模拟平台的垂荡和海水流过立管的相对运动;通过改变装置上主动杆和从动杆的连接部位而调节平台的垂荡振幅。编写了PLC控制程序,绘制了控制部分硬件接线图。基本实现了平台的垂荡频率在0.4 rad/s～1.6rad/s,振幅在0～2m之间;海水的海面流速在0.1 m/s～1m/s,满足实验条件。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明:立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

深海顶张力立管涡激振动响应及参数影响分析

综合考虑立管顺流向及横流向的耦合运动,基于van der Pol理论建立深海顶张力立管涡激振动分析模型,采用有限单元法及Newmark-β法编程求解。利用所建模型对深海实尺寸顶张力钻井立管非锁频工况下的涡激振动响应及参数影响进行分析,结果表明：立管两向均表现为高阶、多模态振动形式,顺流向振动最大峰值频率约为横流向的2倍;相比均匀流,剪切流下立管振动位移及参与振动模态数均增加,立管振动主控模态发生变化;海流流速及顶张力的变化改变了立管振动位移、参与振动模态数及主控模态;随着立管外径增加,立管振动最大峰值频率及参与振动模态数均不断减小,立管振动位移变化较小。     

深海立管涡激损伤的虚拟激励法计算

针对深海立管长细比非常大的结构特性,使用索模型单元计算结构的非线性刚度阵,并验证了模型的有效性;在立管离散点处的平面上考虑结构与流体的耦合作用,采用离散涡方法计算了立管二维模型在均匀海流下的涡激升力载荷,为随机振动分析提供载荷谱,用于构造虚拟激励。最终将立管的涡激振动看作平稳随机过程,采用随机振动理论中的虚拟激励法求解立管在涡激力激励下的响应。基于P-M准则,对响应进行计算得到立管的年损伤率,实现了深海立管的疲劳损伤预报。     

潜艇操纵水动力数值预报网格与湍流模型选取研究

针对采用计算流体力学(CFD)数值方法预报潜艇操纵水动力中,网格划分和湍流模型选择的问题。以SUBO)FF潜艇模型为对象,对不同网格分辨率的模型进行了水动力计算,对网格的收敛性进行了研究,采用五种不同湍流模型,计算得到了不同漂角下潜艇所受水动力,并和试验结果进行了比较。研究结果表明,在采用CFD数值方法预报潜艇操纵水动力时,纵向力对网格分辨率有较高要求,而侧向力和力矩对网格分辨率要求较低,在湍流模型选择上,采用标准k-ω湍流模型能够获得与试验结果更相符合的计算结果,是目前硬件条件下潜艇水动力CFD预报比较合适的一种湍流模型。     

减振器绕流流场的CFD分析

深水钻采作业过程中使用的各种立管，在海流作用下容易发生涡激振动，引起结构破坏。减振器作为抑制涡激的装置，在现场取得了较好的效果。针对不同尾角结构的减振器，通过流体动力学（CFD）方法，求解NS方程，得到减振器绕流流场的分布，以及横向力、曳力系数的变化规律，通过分析减振器涡激抑制的机理，提出尾角结构的最佳尺寸；针对各种不同方向的来流，计算了减振器的横向力、曳力系数，得到了来流方向对立管涡激振动的影响。结果表明，来流方向与减振器尾角对称轴线方向保持一定的角度时，减振器的效果更佳。     

海洋立管的涡激振动

海洋输流立管是海面与海底井口间的主要连接件，是海洋基础结构的关键组成部分，作为海面与海底的一种联系通道，既可用于浮式海洋平台，又可用于固定式平台及钻探船舶。立管在波浪及海流的作用下易发生涡激振动（VIV），涡激振动是深水立管设计的一个主要控制因素。对海洋立管涡激振动的工程背景、研究现状进行了介绍，对所做的研究工作进行了总结，并提出了研究中的不足之处及进一步研究的建议。     

Experimental investigations on hydrodynamic interactions between the cylinder and nets of a typical offshore aquacultural structure in steady current

A series of physical experiments were performed in steady current to investigate the hydrodynamic interactions between the cylinder and nets which constitute a main part of offshore aquacultural platforms. The hydrodynamic characteristics of only the cylinder, only nets and combined cylinder-net structures are measured and analyzed systematically under different current velocities, inflow angles and solidity ratios of nets. Based on experimental data, fitted formulas for hydrodynamic coefficients of a single resin net are proposed and compared to previously published empirical formulas. It is observed that the existence of the cylinder brings an increment up to 9.2% to drag coefficient of net panels whose solidity ratios are higher than 0.347, whereas this effect is negligible for nets with lower solidity ratios and perpendicular to the inflow. For nets inclined with 45°, the increment of the drag coefficient of net panels due to the existence of the cylinder is more significant (up to 22.9%) than that for perpendicularly placed nets. Furthermore, the existence of nets also leads to a noticeable increase in the drag coefficient of the cylinder, up to 40.18% for a relatively large net solidity ratio of 0.458, representative of biofouling condition. The increment increases with the rise of the solidity ratio of nets and it is larger for nets placed perpendicularly to the inflow than inclined. Effects of the cylinder and nets on lift coefficients of each other are a bit complicated, leading to an increase or reduction of lift coefficients depending on the inflow velocity, inflow angle and net solidity ratios. Finally, it is worth noting that the hydrodynamic interaction between the cylinder and nets deserves to be considered in current practice of hybrid methods by combining potential flow theory, Morison and screen models for aquacultural structures, especially for biofouling conditions.     

船舶CFD不确定度分析方法述评

船舶CFD技术已越来越显示其"数值水池"的巨大潜力和广阔前景;CFD的不确定度分析也就成为"数值水池"实用化的技术瓶颈之一。以"量值溯源"为基础的测量不确定分析方法体系(如ISO-GUM)并不适用于数值模拟。自AIAA于1998年发布"CFD不确定度分析导则"以来,关于CFD不确定度分析的技术术语和定义已逐步取得统一。2009年ASME发布了"CFD不确定度分析标准"并成为美国标准,必将有力地推动CFD不确定度分析的广泛应用和方法统一。文中首先对AIAA和ASME方法进行了综述,重点评述了"数值计算不确定度"(numerical uncertainty)的评定方法;其后,对ITTC现有规程(2008年修订)以及最新进展进行了简要的总结。文中还对如何将CFD不确定分析与船舶CFD实际应用相结合的问题给出了初步建议。     

海相饱和软土固结特性的研究

结合某工程实例,通过对海相饱和软土室内固结试验资料的分析,研究影响饱和软土固结特性的主要因素,如受压时间、压缩系数与压缩指数的关系、固结系数与固结压力的关系等。本研究结果表明,固结系数和次固结系数与固结压力相关,不宜采用快速固结法进行饱和软土固结试验。     

基于CFD的多弹性立管升力与阻力系数研究

基于Ansys11-Cfd软件模拟横向和竖向双立管6倍中心间距下立管的绕流情况,采用o-grid划分方法对立管处进行加密处理,使结果分析更加精确。针对6倍立管中心间距,横向和竖向排列情况,研究立管升力和拖曳力系数的变化,通过分析比较单立管和不同排列方式的双立管的升力和拖曳力系数,发现弹性情况与立管刚性情况存在很大的区别,弹性情况更符合真实情况。     

船舶交通系统模拟技术的开发与研究

概述已研发的船舶交通系统模拟仿真技术及其软件包.内容包括船舶交通的数据搜集、数据库建立、系统建模、系统模拟及避碰模型和应用等.并在船舶交通系统建模的基础上,提出一种新的基于航路的船舶交通系统模拟方法,它可将船舶交通实态观测所得数据通过计算机处理确定航路型状.该方法考虑了船舶交通的随机性,可任意修改航路,使模拟结果更加符合客观实际.系统可输出船舶交通密度图、航迹图、门线图以及各种船舶的交通参数.以大连港为例,通过各航道段水域的观测和研究.验证了模拟模型的可信性.     

弱可压缩移动粒子半隐式方法（WC-MPS）与湍流大涡模型（LES）模拟溃坝流动

应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）结合湍流大涡模型(LES)模拟了自由液面流动问题。该方法通过流体状态方程实现流场压力的直接计算,并根据大涡模拟Smagorinsky模型来计算湍流项。最后应用该方法,针对两个溃坝自由液面流动问题,特别考虑不同粒子直径以及湍流Smagorinsky系数,进行数值对比研究以及实验对比分析,得到了采用较小粒子直径和较大湍流Smagorinsky系数模拟大变形自由液面具有较好结果的结论。     

船舶电力推进变频器AFE仿真研究

有源前端(AFE)在船舶电力推进变频器中有较为广泛的应用,AEF具有功率因数校正功能,且具有好的电流谐波特性,允许功率双向流动,可以去除制动电阻,节约成本。文章在MATLAB/Simulink中搭建了带有源前端的变频器仿真模型,拖动异步推进电机,取得良好的控制效果。