台风条件下TLP串行立管系统碰撞分析

TLP立管系统以丛式方阵排列,台风条件下立管在波浪、海流及平台的联合作用下可能发生碰撞,有必要深入研究TLP串行立管系统的碰撞情况。文章基于DNV-RP-F203规范和Huse半经验尾流模型,提出台风条件下串行立管下游立管来流速度计算方法和立管系统碰撞分析方法,建立串行立管—井口—导管系统耦合有限元模型,研究台风条件下串行生产立管系统碰撞时的力学特性,在整体碰撞分析的基础上进行立管局部碰撞精细化分析,对比分析立管局部碰撞理论解和仿真解的不同。结果表明:下游立管来流速度的计算至少采用文中建立的方法迭代3次。串行立管发生碰撞时的最大应力发生在泥面导管处,碰撞位置应力发生了突变;立管发生碰撞的位置在水深100-120 m范围内。立管局部碰撞分析的理论解和仿真解基本吻合。     

格子Boltzmann方法在串列双圆柱绕流数值模拟中的应用研究

基于格子Boltzmann方法,对二维静止串列双圆柱绕流进行了数值模拟,并将模拟结果与已有研究结果进行了对比分析。为提高计算效率和计算精度,采用了多块网格耦合算法,并在圆柱曲边界处采用了较为精确的边界处理方法。提取了圆柱的升阻力系数,讨论了圆柱间距对圆柱受力情况和尾流特征的影响。数值模拟在雷诺数Re=200条件下进行,对两圆柱中心间距为1.5~4.0D(D为圆柱直径)之间的典型间距进行了数值模拟,获得了圆柱升阻力系数以及尾流中涡和流线的变化,验证了临界间距的存在,模拟结果和已有研究结果符合得较好。     

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。     

干涉对海洋立管涡激振动影响实验研究

文章进行了干涉对海洋立管涡激振动影响的实验研究,实验分为立管前后排列和并肩排列两部分。立管间距为3~10倍直径,模型材料采用有机玻璃,长1.5 m,外径18 mm,壁厚2 mm,边界条件均为铰接,外流速分别从0.3~0.8 m/s,每级增加0.1 m/s。通过在立管表面粘贴应变计获得动态应变数据,分别从立管的横向动态响应、振幅、频率等方面对前后排列、并肩排列立管以及和单独立管的实验数据进行对比研究。结果表明,当有外流通过时,立管会受到其他立管尾流的影响,漩涡脱落引起的振动由于间距及排列方式的不同而显著不同,使得立管的动力特性、动力响应以及漩涡的脱落形式同单个立管相比均有较大的变化。     

牵引气体流量对舰船甲板升温效果影响实验

舰船甲板平台区域的气流牵引式循环升温新技术是为解决其防冻和除冰等相关问题研究的。本文利用专用的原理性验证模拟实验装置,初步研究了牵引气体流量对舰船甲板平台区域升温效果的影响。对牵引气体流量为0.5,1.5和3 L/min进行升温效果的对比实验。结果表明:在水面与甲板表面的初始温差相同(同为5.9～6.0℃)情况下,牵引气体流量会明显影响甲板平台区域的升温效果;牵引气体流量越多,甲板平台区域的升温幅度就越大,其升温效果也就越好,如牵引气体流量为3 L/min时甲板表面升温幅度约为1.7℃,而牵引气体流量为0.5 L/min时其升温的总幅度仅为0.5℃左右。所得结论可为这一新技术的深入研究提供必要的理论和实验基础。     

码头工程对山区河道水流特性影响试验研究

不同型式码头对工程河段水流特性的影响程度对于防洪问题和工程可行性研究意义重大。文章研究了37组次不同条件下的码头工程对山区河道水位的影响,同时还研究了24组次不同条件下的码头工程对山区河道流速的影响。结果表明,码头工程的相对最大水位壅高值主要与其阻水面积率、弗汝德数和码头工程结构型式有关,得出了计算码头工程的相对最大水位壅高值的关系式;并根据实测数据分析了各类码头工程附近的流速变化情况,分析表明工程对附近河段的最大流速增值与影响范围均随工程阻水能力和附近流速的增加而增长;从流速变化的平面分布上看,工程前沿至对岸的上、下游流速会增加,工程侧的上、下游流速会减小。     

风浪流作用桥塔弹性模型试验研究

随着中国跨海大桥建设的日益发展,桥梁结构在面对台风、大浪、强流等气象和海洋环境作用下的结构受力、位移响应对于大桥的设计与安全十分重要。文章针对跨海大桥桥塔结构,进行了桥塔弹性物理模型试验,对桥塔结构受力和塔顶位移响应进行了测试。试验观测到了当波浪周期与桥塔结构自振周期相同或接近时所发生的共振现象。试验结果还表明,桥塔在风、浪、流共同作用下的结构受力及位移响应大于风、浪、流单独作用结果的线性叠加。     

弹性腔流激耦合共振及声辐射机理研究

利用Elder空腔声学模型,分析了典型空腔腔口剪切振荡和刚性壁腔体声模态的频率特征。采用模态法建立了弹性壁腔体模态声阻抗计算模型,并计算分析了腔口剪切振荡与弹性腔体耦合的归一化声辐射函数。研究表明弹性壁提供的附加压缩性,降低了空腔模态频率,增大了腔口剪切振荡与空腔模态耦合共振及强声辐射的可能性,并由试验验证了计算结果。     

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7 800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

串列双立管涡激振动抑制研究

实际工程中深海立管常以管群的方式出现,当立管彼此相互靠近时,会发生流场干涉效应。为研究立管间相互干涉作用及螺旋侧板抑制双立管涡激振动的效果,本文基于Ansys Workbench平台,采用双向流固耦合技术对Re=7800均匀来流下长径比为482的串列双立管进行三维数值模拟。结果表明,立管轴间距为5D时立管间有完整的涡旋脱落,下游立管在上游立管的尾流诱导下产生振动,双立管横向振动锁定在二阶模态,且振动方向相反。附加螺旋侧板能有效削弱双立管振动频率,降低上游立管横向振动幅值,但下游立管两向位移响应变化不大。     

考虑内流和海床作用的柔性立管和钢悬链线立管非线性分析(英文)

Flexible risers and steel catenary risers often provide unique riser solutions for today’s deepwater field development. Accurate analysis of these slender structures, in which there are high-speed HP/HT internal flows, is critical to ensure personnel and asset safety. In this study, a special global coordinate-based FEM rod model was adopted to identify and quantify the effects of internal flow and hydrostatic pressure on both flexible and deepwater steel catenary risers, with emphasis on the latter. By incorporating internal flow induced forces into the model, it was found that the internal flow contributes a new term to the effective tension expression. For flexible risers in shallow water, internal flow and hydrostatic pressure made virtually no change to effective tension by merely altering the riser wall tension. In deep water the internal pressure wielded a dominant role in governing the riser effective tension and furthering the static configuration, while the effect of inflow velocity was negligible. With respect to the riser seabed interaction, both the seabed support and friction effect were considered, with the former modeled by a nonlinear quadratic spring, allowing for a consistent derivation of the tangent stiffness matrix. The presented application examples show that the nonlinear quadratic spring is, when using the catenary solution as an initial static profile, an efficient way to model the quasi-Winkler-type elastic seabed foundation in this finite element scheme.     

弹性马脚螺栓安装紧固力矩对其声学性能的影响

为了解弹性马脚螺栓安装紧固力矩对其声学性能的影响,选取含有弹性马脚的典型管路为研究对象,进行弹性马脚螺栓安装紧固力矩变化对其声学性能的影响试验研究。结果表明,带有隔振器的弹性马脚能够抑制管路振动向基座的传递,并具有比较明显的隔振效果。当隔振器的一端螺栓紧固到一定程度时,无论如何调整隔振器的另一端螺栓在其允许范围内的安装紧固力矩大小,对各测点的振动变化影响不大。     

二维弹性平板绕流锁定发生机理研究

本文采用双向流固耦合来研究一端固定二维平板涡激振动特性,通过动网格技术来实现流场和结构之间力和位移的相互传递。对不同雷诺数下平板绕流涡分离进行计算,成功捕捉到了锁定现象,并对其发生机理进行研究。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率、结构表面压力分布与结构模态一致、尾涡强度达到一定水平,即可产生锁定现象。     

二维弹性平板绕流锁定发生机理研究

本文采用双向流固耦合来研究一端固定二维平板涡激振动特性,通过动网格技术来实现流场和结构之间力和位移的相互传递。对不同雷诺数下平板绕流涡分离进行计算,成功捕捉到了锁定现象,并对其发生机理进行研究。计算结果表明,当涡脱落频率接近结构固有频率、结构表面压力分布与结构模态一致、尾涡强度达到一定水平,即可产生锁定现象。     

缓波型柔性立管涡激响应数值模拟

缓波型柔性立管的涡激振动问题是当前海洋工程界的研究热点.本文基于Milan尾流振子模型,通过Or?caFlex软件及悬链线方程,考虑缓波型柔性立管的几何非线性及三维效应,基于等效原则将缓波型柔性立管转换为直立立管进行分析,同时探讨了不同浮子段覆盖率对缓波型柔性立管涡激振动特性的影响规律,给出了立管不同轴向位置处的运动轨迹,为揭示缓波型柔性立管涡激运动特征提供了借鉴.     

预张力对两种脐带缆涡激振动影响的试验研究

本文应用模型试验的方法,研究了预张力对粘结和非粘结两种脐带缆涡激振动响应特性的影响规律.基于模态叠加法,将测得的应变数据转变为结构的位移响应;对比分析了各级预张力下两种脐带缆模型的位移响应、结构振动频率、锁振影响区域、模态占比等参数.结果表明:两种脐带缆模型锁振频率随着预张力的增加逐渐变大,非粘结锁振比粘结工况提前;远离锁振区域时,外流速变化对振幅的影响占主导地位,锁振区域附近,预张力变化对振幅的影响逐渐变大;随着流速增加,预张力变化对脐带缆横向振动模态占比影响逐渐变大;预张力较小时,粘结脐带缆振动模态随外流速转换相比于非粘结脐带缆滞后较多,预张力变大后,滞后程度减小.     

泡漩水形成特性概化模型试验研究

山区河流中泡漩水险滩碍航严重,目前对泡漩水险滩的整治只能采取现场观察和水工模型试验相结合的办法,西部航道建设迫切需要弄清泡漩水形成机理.通过水槽概化模型试验,找出了产生泡漩水的边界备件和水力条件,分析了影响泡水强度的主要因素,并进行了相关分析,得出了泡水高度和影响因素之间的量化关系式.所得试验结果可为泡漩水险滩的整治提供相关的理论参考依据.     

均匀流作用下双柔性异管径立管响应特性试验研究

本文进行了不同水动力外径双柔性立管的均匀流干涉试验研究.试验中双管布置形式分别为并列形式、串列形式和交错形式,其中并列形式及交错形式双管壁面间距为3D～5D,串列形式壁面间距为3D～8D,两立管对应雷诺数分别为8500和5400.试验采用布拉格分布光纤采集立管表面应变时历信息,进一步通过模态叠加法重构立管涡激振动位移响应.同时,本文分别对两立管横流向沿管长方向的位移RMS值和振动频率,以及横截面位移轨迹和顺流向位移最大值进行了分析研究.研究结果分析表明,并列形式两管发生干涉影响的范围与管径大小有关,管径越大干涉范围越大;交错形式下,处于尾流中的立管同时受到涡激振动和尾流诱导振动的影响;而串列形式某些管间距布置形式下,处于尾流中的立管主要受尾流诱导振动的影响.     

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。