基于 DES 方法的张力腿平台主体结构水动力特性研究

考虑张力腿平台立柱和浮箱之间的相互影响,通过分离涡模拟法（DES）对均匀流下张力腿平台主体三维水动力流特性进行了研究,讨论了张力腿平台阻力系数、升力系数及其频谱、压力系数和尾涡等特性。研究表明：阻力系数和升力系数时历曲线变化具有一定的周期性和“脉动性”;下游立柱受到上游立柱尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱阻力系数略大;下游立柱升力系数幅值较上游立柱升力系数幅值大,下游立柱泄涡具有明显的周期性特点;升力系数时历变化呈现紊乱,频谱图中谱峰个数越多且带宽越大。立柱表面压力系数呈现出“W”型且张力腿平台主体周围具有不同垂向流态形式,稳定脱落周期下通过压力系数最大值判断撞击点等特殊位置,压力系数最小值判断尾涡所附位置;尾涡具有高度各向相异性,不同来流方向下张力腿平台主体尾后出现不同尾涡结构和流形态。     

张力腿平台在湍流边界层分离下的水动力特性研究

在亚临界区雷诺数Re=1.4×10~5(特征长度为立柱直径D)下,采用改进的延迟脱体涡模型(IDDES)和湍流分离方法,对张力腿平台在湍流边界层分离下的升(阻)力特性进行了数值模拟,研究了0°、15°、30°和45°四种流向角下张力腿平台主体以及各立柱上的水动力特性。研究结果表明:0°流向角下,平台主体所受的平均阻力和脉动升力相对于15°、30°和45°时更大;不同流向角下,受上游立柱泄涡的影响,下游立柱的平均阻力系数始终小于上游前端立柱的平均阻力系数,但其脉动升力系数反而更大;随着流向角的增加,上下游立柱脉动升力的差异逐渐减小;仅在0°流向角下,各立柱上的升力系数功率谱存在单个能量峰值。此外,由涡量场分析可知,不同流向角下,立柱尾部的脱涡形式区别显著;浮箱与立柱连接处的三维效应对立柱尾部的大尺度漩涡脱落产生了抑制作用。     

阵列四柱绕流的数值模拟

阵列四柱绕流特性是研究海洋结构物涡激运动的基础,文中引入雷诺平均法求解NS方程,结合SST k-ω湍流模型阵列四立柱绕流进行了数值模拟.根据中国南海流场实际分布特点,选取6个典型流速,由于阵列四柱结构对称,故选取3个来流方向进行研究.在对单个方柱绕流的斯特哈尔数与相关实验和数值模拟进行验证对比的基础上,研究了张力腿四立柱升力系数、拖曳力系数、立柱截面上的涡强分布以及尾涡泄放结构,采用频谱分析方法研究了阵列方柱频域特性.数值模拟结果表明:四立柱在0.及45.流向时四立柱的涡泄频率大于单方柱的涡泄频率,而22.5.时两者基本相同,四立柱的斯特哈尔数均大于单个立柱,各立柱涡强最大值均位于上游立柱迎流面拐点处,尾流涡泄结构均表现为2S模式.     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现：在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显“锁定”现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在Ur=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的“8”字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究（英文）

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现:在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显"锁定"现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在U_r=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的"8"字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

串列双立管螺旋列板抑制涡激振动的数值模拟

在波浪和洋流的作用下,深水立管两侧会出现周期性的漩涡脱落,这一现象极易引发涡激振动,使得立管出现疲劳损伤,显著降低其服役寿命。同时,当立管间距较近时,还会产生流场干涉效应。为研究立管之间的相互干涉作用及螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果,本文采用大涡模拟(LES)的方法,对Re=3 900均匀来流下的串列双立管的涡激振动响应进行三维数值分析。并针对不同的立管间距(3D,5D,8D,D为立管直径)以及附加螺旋列板的情况,建模分析了立管的水动力系数,并进一步探究了螺旋列板对双立管涡激振动的抑制效果。研究结果表明:对于串列双立管情况,下游立管受到上游立管尾涡和自身漩涡脱落的影响,升力系数幅值较单立管时更大。在3种立管间距工况中,立管间距为3D时下游立管升力系数最大,8D时升阻力系数接近单立管情况。附加螺旋列板能有效抑制双立管涡激振动,双立管升力系数明显减小,从而减少了立管的振幅响应。附加螺旋列板双立管之间的相互作用与光滑双立管之间的相互作用总体趋势相似。并且由于列板的分流作用,彻底破坏了立管的脱涡方式,在立管后形成了间距很小,近乎平行的尾涡。     

深水张力腿平台非线性涡激特性及水动力性能研究

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤,危害其安全稳定性。该文引入雷诺平均法求解NS方程结合DES湍流模型对不同流速下深水张力腿平台三维涡激运动及流场特性进行了数值研究。采用GAMBIT软件建立计算网格,将求解动力学控制方程的代码嵌入UDF求解器中,采用动网格技术实现流场更新并求得作用于平台立柱和浮箱上的瞬时升力和拖曳力。采用最大值统计法和均方根统计法进行数据统计。研究发现:张力腿平台涡激运动流向振幅的大小随着约化速度的增大而增大,但在小范围内波动;横向振幅曲线最大值出现在0°来流、约化速度U~*=8.0处,大小为0.38D;三种来流工况流向平衡位置随无因次速度的增大而增大,但增长速度有所区别,22.5°和45°下流向平衡位置的增加速度要明显大于0°来流;22.5°来流升力系数谱能量较为分散,立柱及浮箱之间的干扰具有强非线性效应;最后对张力腿平台表面压力系数分布及涡量等值面特性进行了分析和探讨。     

不同间距比方柱涡激运动特性研究

采用有限体积法对间距比为3.0,4.0,5.0的方形四立柱涡激运动特性进行了数值研究。着重探讨了间距比对振动幅值,升力系数频谱特性,涡脱模式的影响。引入动网格技术来实现立柱和流场之间的流—固耦合模拟。研究表明：三种间距比下,流向振幅随折合速度先增大后振荡。从升力系数谱分析,在不同折合速度下,系统能量出现多个或单个峰值,但能量相对仍比较集中。当间距比较小时,由于流场的干扰作用,柱体的尾涡结构凌乱而不规则;当间距比较大时,各柱体都有各自单独的涡街,但干扰现象依然存在。     

不同间距比方柱涡激运动特性研究（英文）

采用有限体积法对间距比为3.0,4.0,5.0的方形四立柱涡激运动特性进行了数值研究。着重探讨了间距比对振动幅值,升力系数频谱特性,涡脱模式的影响。引入动网格技术来实现立柱和流场之间的流—固耦合模拟。研究表明:三种间距比下,流向振幅随折合速度先增大后振荡。从升力系数谱分析,在不同折合速度下,系统能量出现多个或单个峰值,但能量相对仍比较集中。当间距比较小时,由于流场的干扰作用,柱体的尾涡结构凌乱而不规则;当间距比较大时,各柱体都有各自单独的涡街,但干扰现象依然存在。     

不同流向下低质量比方形四立柱涡激运动特性研究

采用有限体积法对方形四立柱涡激运动进行了数值模拟。方形四立柱涡激运动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST k-ω湍流模型对低质量比弹性支撑的方形四立柱涡激运动进行了研究。对不同来流方向和折合速度下横向振幅、流向振幅、流向平衡位置、升力系数的主频变化趋势进行了分析,探讨了其运动轨迹和尾涡脱落模。     

尺度作用与阻力系数的相关分析

在船模试验和分析的基础上,提出了船模阻力的换算为实船阻力时可应用相关阻力系数的方法。相关系数法综合考虑了实船和船模的粗糙度和船模的尺度效应,因此其估算的实船阻力具有较高的精度。     

对称波形底箱型水面防波堤性能试验研究

为了提高箱型水面防波堤的消波性能,将箱型水面防波堤的主体底部外形进行了改造,即将主体底部由平底改造为对称波形底,提出了一种对称波形底水面防波堤。对平底和对称波形底箱型防波堤分别进行了物理模型试验研究。试验时,将平底和对称波形底的方箱型消波主体通过支架固定在小型波浪水槽中,保持水槽水深不变,改变箱体吃水、波陡、波长,进行了系列试验。给出两种模型的透射系数、反射系数和能量损耗系数随相对宽度BL的变化规律。通过比较发现:对称波形底的消波性能比平底的优良,增加的消波效果高达60%左右;两种模型的反射系数相差无几,说明改变箱型底部结构对于防波堤反射性能的影响不大;对称波形底对于波能的损耗作用要强于平底。     

薄膜型LNG船绝缘层等效静载荷系数研究

近年来新设计的薄膜型 LNG 船要求具有更大的舱容,能适应更恶劣的海况和在任何装载高度下安全运行,这就需要保证液舱结构在晃荡载荷作用下的安全性。论文引入等效静载荷系数,用以简化薄膜型 LNG船液货舱船体结构在晃荡载荷作用下的强度校核流程。通过研究等效静载荷系数、绝缘层缓冲系数和船体结构动力放大系数在各种条件下的变化规律,明确了等效静载荷系数的影响因素和变化范围。研究成果可为薄膜型LNG船船体结构强度校核以及相关规范的修订提供参考。     

整流罩对深海立管水动力影响的数值模拟研究

应用CFD大涡模拟方法,对附有整流罩的深海立管的水动力影响效果进行了三维数值模拟。对不同的弦厚比在雷诺数分别为3 900、10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数及其频谱等特性。模拟结果表明:整流罩对立管升力和阻力有明显的抑制效果,相较于光滑立管,阻力系数均值降幅最大达到24.1%,升力系数均方根值降幅最大达到81.1%。阻力系数均值随弦厚比的增加先减小后趋于平稳升力系数均方根值随弦厚比的增加而增加。对比结果显示,弦厚比为1.2~1.6时,整流罩对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析

通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。     

双层水平板型透空式防波堤消波性能试验研究

用两块相同尺寸的水平板结构作为一种防波堤,上层板位于自由水面处,下层板在其下某一深度处。对此形式防波堤进行了一系列的消浪效果试验研究,利用得到的反射系数和透射系数来反映此结构的消波性能,考查了相对板宽,相对水深和相对板间距及波陡对反射系数和透射系数的影响。     

水流作用力垂向变化对块体抛放影响的综合研究

考虑块体在水体中的相对位置,综合研究了不同水深区域内水流作用力系数的变化关系。在自由水表面和河床壁面附近区域,应分别考虑水表面波动和边界层对垂线流速分布的影响,由平均流速计算得出的拖曳力系数与相对位置基本呈递增关系,而上举力系数递减;介于上述区域之间时,近似认为拖曳力系数和上举力系数不随相对位置变化。因此,在受力分析以计算石块或沙袋的抛掷位移时,应考虑水流流动作用力垂向不断变化的特点。     

新型透空板式防波堤消浪效果试验研究

为增大双层板式防波堤的波能耗散和防波堤结构的稳定,提出了的一种新型桩基双层板式防波堤,通过物理模型试验,对比分析了该防波堤结构（模型 c）与另两种结构型式的防波堤（模型 a、b）在不同的波浪参数下透射系数、反射系数的变化关系,探讨了新型桩基双层板式防波堤（模型 c）透射系数、反射系数随相对波高、相对水深及相对淹没深度的变化关系,分析了其波能损耗情况。结果表明,在试验范围内,对于长周期波,模型 c 比其他两种型式的防波堤消波效果好;当水深与模型顶平齐时新结构（模型 c）对波能的消耗大于淹没和出水两种情况,说明防波堤高程与水位平齐时其消波效果较好。     

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。