基于CFX的配置浮筒海洋立管涡激振动研究

运用CFX软件对4种不同浮筒覆盖率下的深水立管涡激振动进行模拟,验证大涡模拟在配置浮筒立管研究中的可行性。结果表明,浮筒覆盖率越大,立管均方根响应幅值越大;在不同的浮筒覆盖率的情况下,海洋立管的主要振动响应频率与浮筒所支配的涡泻频率和立管所支配的涡泻频率有关,浮筒覆盖率较小进行高频运动,浮筒覆盖率较大进行低频运动;数值模拟的均方根位移与模型试验的的均方根位移相符合,数值模拟的振动响应频率范围与模型试验的频率响应范围一致,对配置浮筒的海洋深水立管运用大涡模拟是可行的。     

结合大涡模拟的格子玻尔兹曼方法模拟高雷诺数流动

为了将格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method）推广到高雷诺数流动的数值模拟上,文章研究了将大涡模拟的Smagorinsky模型及其改进的IR模型应用到LBM方法中并发展了LBM-SM模型和LBM-IR模型,其后以顶盖驱动方腔流动（Re=1000;10000;100000）和后台阶流动（Re=389;1000;10000;100000）为标准进行数值模拟与比较。数值结果说明该方法可以应用于高雷诺数流动的数值模拟,并克服了传统LBM方法在模拟高雷诺数流场时会出现非物理振荡的情况。通过分析对比,不仅得到了两种模型能够稳定计算且不失真的参数范围,并且认为LBM-IR模型有效参数的选取范围更为广泛。     

涂层对空化流动特性影响的实验研究

利用实验的方法研究了涂层对绕水翼空化流动特性的影响。分别针对喷涂环氧涂层和氟碳涂层的 Clark-Y 型水翼,采用高速摄像装置观察了不同空化阶段的空化流动形态。研究结果表明：（1）在初生空化阶段,当σ=1.82时,沿环氧涂层水翼表面展向排列着初生空泡,而氟碳涂层水翼还处于无空化状态,说明相对于环氧涂层,氟碳涂层对空化现象的产生有一定的抑制作用,氟碳涂层水翼初生空化数为1.50;（2）在片状附着型阶段,当σ小于1.63时,绕环氧涂层水翼的空化先于氟碳涂层水翼发展至片状空化,绕水翼空化流动产生大量分散空泡,沿水翼表面向后运动过程中逐渐长大,在高压区溃灭后形成小空泡并以马蹄涡形式继续运动。同一空化数下,绕环氧涂层水翼空化流动的空泡长度大于氟碳涂层水翼。但随空化数降低,两者空泡长度逐渐接近,说明环氧涂层在片状空化阶段对空化的抑制作用逐渐增强;（3）σ=0.87时空化发展至云状空化阶段,空化流动伴随周期性的云状空泡的脱落,绕环氧涂层水翼的空化流动周期及无量纲空化面积均小于氟碳涂层水翼,说明涂层对空化的非定常变化也有一定的抑制作用,且环氧涂层强于氟碳涂层。     

涡激振动对FPSO外输系统的动态响应分析

外输系统包括FPSO、外输浮筒、外输管线主要构成部分,在外载荷的推动下,各个构件间存在复杂的耦合作用。由于输管线跨距长,在复杂的海洋环境载荷作用下极易发生涡激振动现象,从而引起管线的疲劳破坏。为研究涡激振动对FPSO外输系统的动态响应的影响,本文对FPSO及其外输系统进行了一系列的水动力分析,结合考虑浮体/管线的耦合效应和管线涡激振动现象,求解FPSO与外输浮筒的总体运动响应及外输管线的张力、疲劳损伤值,总结管线涡激振动现象对整个FPSO外输系统总体性能的影响。计算结果表明,管线的涡激振动效应对其自身的疲劳寿命起到主导性作用,而对FPSO及外输浮筒的运动响应和系缆张力的影响较小。     

方形四立柱涡激运动及水动力性能分析

平台涡激运动是近年来海洋工程领域研究的热点和难点。本文将涡激运动系统简化为两自由度质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解N-S方程,将求解瞬态动力响应的四阶Runge-Kutta代码嵌入UDF程序中并采用动网格技术实现流场更新,对低质量比弹性支撑方形四立柱涡激运动进行数值研究。研究表明:涡激运动流向最大位移为0.31D,横向最大位移为0.61D;横向运动频率随折合速度的增加而增大,没有出现频率锁定现象;不同约化速度下运动轨迹图较为紊乱;尾涡模式总体呈现出2P模式。     

航母甲板风的大涡模拟

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究了航母甲板风的运动规律,得到了甲板上方及航母后方空气胀量、压力和垂向速度随不同来流速度的变化关系。迎面风使航母甲板前沿出现上升气流,甲板前中部出现下洗气流,随着来风速度的增加,该上升和下洗气流速度的绝对值增大;迎面风使航母甲板上出现负压气流,随着来风速度的增加,该负压区域和负压值增加;迎面风使紧靠航母的尾流出现一个较大的负压区,随着来风速度增加,该区域最大负压的绝对值增大,而区域范围变化不大;航母尾部的负压区与"公鸡尾"气流效应区域基本重合。本文的研究结果对舰载飞机的安全着舰具有参考意义。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明：与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出：横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

基于受迫振动实验的柔性立管的VIV响应预报

涡激振动响应预报对于深水海洋结构物的设计是非常重要的。近年来，基于圆柱体的受迫振荡实验数据提出了若干经验模型。针对潘志远提出的一种基于实验数据并且与立管的有限元模态分析有机结合的VIV预报模型，采用近期的一个阶梯状分布来流下的涡激振动响应实验测量数据，验证了该模型的有效性和局限性。     

反向芬克式桁架人行桥抗风性能研究

反向芬克式桁架结构作为近年来新兴的桥梁结构形式,具有简洁和造型美观等优点,已在国外多座人行桥中得到应用。鉴于人行桥结构轻柔等原因,该类型人行桥的风效应问题成为设计关注的重点之一,但国内相关研究较少。现依托主跨150 m的反向芬克式行架人行桥工程实际,开展了系统的抗风性能试验研究。结果表明:参照我国《公路桥梁抗风设计规范(JTG/T3360-01-2018)》,该桥的颤振稳定性、静风稳定性等都满足要求;在均匀流场的0°和+3°风攻角下,涡激共振峰值振幅超过规范允许值,在5%紊流度、将结构阻尼比从0.3%增加到1%之后,涡激共振得到不同程度的抑制,并满足规范要求;进一步分析表明,增加结构阻尼比,将是更为有效的抑制该桥主梁涡激共振的措施。     

下凹式绿地对雨水径流的控制效果研究

研究了10 cm、15 cm、20 cm三种下凹深度以及添加火山岩、煤渣、沸石三种填料基质情况下下凹式绿地的蓄滞效果;考察了添加火山岩、煤渣、沸石三种填料对下凹式绿地去污效果的影响.结果表明:下凹深度越大,绿地对雨水的削减效果较好,但出于安全考虑,下凹深度应该控制在一定的安全范围内;不同的填料也会对蓄滞和去污效果产生影响,添加火山岩的装置蓄滞效果相对较好,对总磷的去除效果也较好,去除率为82.7％;添加煤渣对总氮的去除率最高,为48％,添加沸石对COD的去除率最好,为34.9％,添加三种材料对SS的去除率都较高,达到95％左右.