深水半潜式平台的涡激运动Ⅱ.船型优化研究

基于CFD数值计算方法对深水半潜式平台的涡激运动开展优化研究,提出一种能够抑制涡激运动的半潜平台新形式,并应用模型试验进行对比验证.研究了新型平台和传统型平台的涡激运动特征,对纵向偏移、横荡响应的幅值和分布规律,锁定区间等关键因素进行对比分析;研究了各方向耦合作用下平台的轨迹特征;详细分析了新型平台的减涡机制,从平台泄涡结构和涡激响应的均匀性、稳定性以及响应幅值等方面展开研究,阐述立柱的横剖面形状,排列形式等对平台涡激运动性能的影响.研究表明,这种"立柱的横剖面形状为梯形,呈外八字对称排列"的新型平台形式对抑制平台涡激运动具有积极影响,有助于减少或延缓强非线性涡激运动对系泊、立管系统的破坏作用.     

矩形截面半潜式平台浪流耦合作用涡激运动响应二维数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟,针对一型采用矩形截面立柱设计的深吃水半潜式生产平台,研究其在波浪和流共同作用时的涡激运动响应.选取典型135°来流方向,以正弦振荡流模拟波浪,考虑不同KC数、不同相对流数下波浪与同向均匀流耦合作用.研究表明,较之于仅有均匀流作用,均匀流和正弦振荡流耦合作用时,矩形截面立柱的半潜式平台运动响应明显增大.振荡流耦合作用影响显著.     

新型浮式钻井生产储油平台涡激运动数值模拟及试验研究

利用数值模拟方法对浮式钻井生产储油平台(Floating Drilling Production Storage Offloading,FDPSO)涡激运动特性开展了研究.采用雷诺平均法求解Navier-Stokes(N-S)方程,运用DES(Detached Eddy Simulation)湍流模型及CFD(Computational Fluid Dynamics)动网格方法对FDPSO平台的涡激运动流场特性进行了模拟;同时采用1∶80的缩尺比物理模型,在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的海洋工程水池中进行了模型试验研究.试验考虑了系泊系统以及平台不同自由度之间耦合作用对平台涡激运动的影响,并将数值模拟和模型试验结果进行对比,分析了新型多立柱浮式钻井平台流向和横向涡激运动时间历程、频谱特性、锁定现象等以揭示其涡激运动的内在机理,为该型平台的设计提供借鉴和参考.     

经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验

为研究经典式Spar平台的涡激运动和驰振特性,开展了平台在系泊状态下的水池模型试验,分析不同流速作用下Spar平台的横荡运动特性,并通过对比仅流、仅波浪与波流耦合工况试验结果,分析波流耦合作用对Spar平台涡激运动和驰振运动性能的影响.结果表明:高折合速度的海流使得Spar平台发生驰振运动,相比涡激运动,其振荡周期更长、振幅更大,且具有随机性.波流耦合作用不会改变Spar平台流致运动的具体模式,但是显著影响流致运动的幅值.     

圆柱体涡激运动的模型试验与数值模拟研究

为研究Spar等圆柱体海洋结构物涡激运动响应,进行圆柱体静水拖曳模型试验与数值模拟研究,测试不同来流速度下六自由度运动,分析圆柱体运动幅值、频率、斯特劳哈尔数和阻力系数等变化特性.研究结果表明:圆柱体运动均方根幅值随着约化速度增加至峰值,然后保持相对稳定;在锁定区域内,横向运动频率锁定在1.1倍固有频率,在锁定区域外,横向运动频率没有跳回固定圆柱泄涡频率而是保持持续增加;圆柱艏摇振幅随约化速度呈波动增加,艏摇频率近似等于同约化速度下的横向振动频率;圆柱阻力系数先缓慢增加,当约化速度大于6.2时,阻力系数保持在2.2左右;初始分支尾涡呈现2S模式,上端分支呈现出2P模式;大涡数值模拟对圆柱体涡激运动的幅值、频率和阻力系数等均有较好的模拟结果.     

新概念深水半潜式生产平台水动力截断试验与数值计算

对一新型深海半潜式生产平台的水动力性能进行模型试验和数值计算分析.与传统直立柱结构的半潜式平台不同,该新型平台的4根立柱在水线面以上向内倾斜.由于平台工作水深为1.5 km,模型试验时需通过数值分析进行等效截断设计.对平台6自由度运动响应和系泊缆受力的研究表明,模型试验结果与数值计算结果基本一致,该新型半潜式生产平台具有良好的水动力性能,满足规范要求.
     

半潜式浮式风机平台绕流力学特性与尾流分析

柱体绕流是海洋工程领域的重要问题.流体绕经海洋平台所产生的周期性涡脱会造成平台往复运动,这将加剧平台系泊结构疲劳损伤,降低结构疲劳寿命.为研究多柱式浮式风机平台绕流的力学特性,厘清尾流之间的干扰机理,采用Delayed Detached Eddy Simulation(DDES)方法分析了半潜式浮式风机平台在不同来流角和流速下的力学特性,从相干结构层面研究了尾流干扰机理,并分析了立柱尾流之间的空间相关性.结果表明:下游立柱的阻力系数平均值随流速变化而有较大波动;流场相干结构以流向涡和发夹涡为主;相干结构之间的相互作用是导致尾流干扰的原因;上下游立柱尾流具有不同的相干结构,但两者仍有较强的空间相关性.研究结果可为深入理解多柱式海洋平台绕流现象提供理论参考.     

深水半潜式平台模型试验与数值分析

以一座工作水深为1.5 km的深海半潜式钻井平台及其锚泊系统为例,对其在280 m等效截断水深锚泊系统系泊下的6自由度运动和锚链受力进行模型试验研究,缩尺比取为1∶70.采用非线性时域耦合分析法对原深海半潜式钻井平台系统进行数值分析,并将模型试验和数值分析结果进行比较.结果表明:等效截断水深锚泊系统在静力方面可较好地模拟全水深锚泊系统,动力相似上的不足导致其锚链受力最大值与全水深锚泊系统的相差较大;截断水深模型试验对全水深锚泊系统系泊下的半潜平台运动响应的预报较为可信,而平台锚系的受力情况需辅以数值模拟进行研究.     

雷诺数对圆柱体涡激振动特性影响研究

为研究雷诺数,特别是高雷诺数对涡激振动(VIV)特性的影响,基于OpenFoam嵌入自编程序,分别设定雷诺数范围为1.45×103~10.20×103,5.80×103~40.80×103以及13.05×103~91.80×103对不同质量比的圆柱体进行涡激振动数值模拟.在低、高质量比条件下计算对比圆柱体在不同雷诺数范围内的涡激振动幅值、频率、流体力系数、运动轨迹以及漩涡脱落模式等特性,研究结果表明:在低质量比条件下,雷诺数范围的增大对圆柱涡激振动的影响主要体现在流向与横向各分支振幅的增加以及泄涡向2T模式的提前转变等;而在高质量比条件下,主要体现在横向幅值的增加与流向幅值的减小,锁定区间的增大以及最大振幅处运动轨迹的显著改变等.     

模拟圆柱涡致振动问题的重叠网格法

使用重叠网格法求解二维不可压N—S方程,数值模拟了雷诺数在90—150之间的圆柱涡致振动。N—S方程对流项采用三阶迎风格式,扩散项使用四阶中心紧致格式离散,圆柱计算网格随圆柱一起运动,采用运动的非惯性参照系下的控制方程,振动控制方程采用四阶龙枷库塔法求解。计算成功地捕捉到了“拍”现象和“锁定”现象,并给出在不同折合来流速度下圆柱振幅的实验值和数值模拟结果的对比,计算结果与实验值基本吻合。     

均匀来流中Spar平台涡激运动响应研究

Spar平台由于其优良的特性,近年来,在深水工程领域,得到了越来越广泛的应用.Spar平台由于其特有的几何特性,从而导致其在水流中可能产生涡激运动.文中针对Spar平台的刚体特性,建立了Spar平台与尾流振子之间的耦合运动方程,利用该方法对一模型平台进行了数值验证,计算得到的锁定区域与实验测得的结果吻合良好.接着对一真实的Spar平台进行了计算,并得到Spar平台和尾流振子的时间历程曲线.结果表明Spar平台的运动幅度以及运动周期比通常涡激振动的幅度以及周期要大.     

剪切来流作用下圆柱体结构物的双自由度流致振动

基于四步半隐式特征线分裂算子稳定化流体有限元方法,对二维线性剪切来流作用下弹性支撑圆柱体结构物双自由度流致振动问题进行了数值计算,着重研究雷诺数Re=150时,不同参数(频率比、剪切率与折减速度)对圆柱体结构物振动响应及其流场的影响.计算分析表明,随剪切率的增加,圆柱体结构物2个方向的频率锁定区间扩大,结构发生共振现象的范围亦增大;折减速度对圆柱钝体最大振动幅度的影响较大,在锁定区间内,圆柱振动位移较大,否则较小;在高频率比工况下圆柱运动轨迹呈‘8’字形;当频率较低时,圆柱运动轨迹随剪切率的增大由‘8’字形渐变为‘雨滴’形;在剪切来流作用下圆柱尾流模态为双单涡(2S)与涡对(P)+单涡(S)两种泄涡模式.     

半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析

为了研究风力机平台的运动特性,利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和莫里森方程计算平台水动力,采用准静态悬链线理论模拟系泊系统,利用海洋工程工具SESAM软件建立了完整高效的风力机系统数值模型.针对自主设计的半潜式海上浮式风力机基础进行了水动力分析,数值分析结果与实验值符合较好.通过系统运动响应的统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响.研究结果表明:该系统数值模型时效性较好,可真实反映浮式风力机平台的运动特性,风力机载荷在大幅增加平台的纵摇和纵荡响应的同时会对纵荡和系泊载荷频谱产生最直接的主导性影响.     

质量比对二自由度圆柱涡激振动影响的计算研究

利用Fluent平台的用户自定义程序(UDF)以及动网格模型,实现圆柱运动方程的一种迭代求解算法,对二自由度弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行数值模拟;探讨不同质量比对涡激响应升力的影响。研究表明:采用的迭代求解算法能对弹性支承圆柱涡激振动做出合理预测;质量比对涡激响应的升力影响显著,不仅低质量比圆柱产生的振幅更大,低质量比较高质量比能产生更大的升力系数,且升力相对横向位移的"相位突跳"现象对应的约化来流速度U*更大;圆柱运动轨迹从最初的弧型转变至"8"字型,而后"8"字型逐渐消失并转变为水滴形。     

不同表面粗糙度下圆柱体涡激振动响应特性数值研究

使用数值模拟方法,研究了不同粗糙度下圆柱体的涡激振动响应特性,对圆柱体的涡激振动位移响应幅值、响应频率、涡激力、漩涡泄放模式以及涡激振动位移响应与涡激力之间的相位角等参数进行了分析.结果表明,圆柱体涡激振动响应幅值随着粗糙度的上升呈下降趋势.当圆柱体表面光滑或表面粗糙度较小时,涡激振动响应可分为初始分支、上分支以及低分支.在初始分支以及上分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2S模式;在低分支区间,圆柱体尾部漩涡泄放模式呈2P模式.当圆柱体表面粗糙度较大时,涡激振动响应仅存在初始分支和低分支.初始分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2S模式;低分支区间,尾部漩涡泄放模式呈2P模式.     

大跨度斜拉桥主梁气动力特性的大涡模拟

为验证大涡模拟方法在获得桥梁主梁气动力特性上的可行性，开展了均匀流中大跨度斜拉桥扁平钢箱梁在Re=1.27×105下的绕流场三维计算流体动力学分析.大涡模拟方法采用Smagorinsky压格子湍流封闭模型，基于网格和时间步长无关检查确定的计算参数，获得了主梁气动系数统计平均值、脉动值和漩涡脱落St数随来流攻角的变化，表明三维主梁绕流漩涡脱落的频率带宽分布和展向不同步特征.基于主梁表面非定常压力时程的统计平均值和RMS值分布，分析了主梁表面的流动分离和再附特征，并建议了风洞试验测压孔的合理布置形式.与风洞实验相关结果的对比表明，大涡模拟方法是获得桥梁主梁气动力特性和绕流机理的有效方法.     

宽高比4.3流线型箱梁的涡激振动机制

通过节段模型风洞试验分析宽高比4.3流线型箱梁断面的涡激振动性能,基于数值模拟分析静止及振动断面周围的绕流结构,探讨流线型箱梁涡激振动机制。结果表明：+5°攻角时,宽高比4.3断面涡激振动竖向无量纲最大振幅为0.013 5,是+3°攻角的2.2倍。涡激振动机制为：气流在桥面板处分离后,产生一定尺寸的上部漩涡,随着漩涡沿桥面板运动,其尺寸不断增大,并在桥面板背风侧发生分离脱落,振动断面周围的上部漩涡更加完整,且存在5个尺寸相对较大的漩涡,而下部漩涡在背风侧风嘴下斜腹板处的尺寸与数量有一定程度的增加;振动幅值增大后,主梁尾流宽度增大,脉动强度有一定程度增强。研究结果可供流线型箱梁抗风设计参考。     

波高对波纹管涡激振动特性的影响研究

立管在海流作用下极易发生涡激振动问题,涡激振动是造成立管疲劳破坏的主要原因,因此工程上亟需抑制其涡激振动的措施。本文针对波纹管结构,研究其波高大小对涡激振动特性的影响规律。首先在Gambit建立二维网格模型,再使用Fluent进行波纹管绕流模拟,计算雷诺数约5 000～60 000,而后分析比较不同波高对波纹管涡激振动特性的影响。结果表明:波高对波纹管涡激振动特性有重要影响,波纹管涡激力随波高增加呈先增大再减小再增大趋势;而波高对涡泄频率影响较小,但波纹管结构的Strouhal数较普通圆柱要高。     

吸气作用下圆柱涡激振动特性试验研究

为研究吸气对圆柱涡激振动的控制效果,采用吸气控制方式,选取不同的来流风速、吸气速度和吸气角度进行风洞试验.通过在风洞中使用质量阻尼系统使圆柱发生涡激振动,并对比控制效果.研究结果表明:定常吸气对涡激振动临界风速、涡激振动锁定区间长度以及降涡激振动的幅值都有影响;当吸气角度为0°,45°或180°时,吸气对涡激振动有很好的控制效果;当吸气角度为90°或135°时,控制效果最显著;吸气系数对控制效果也有一定影响.通过分析圆柱表面风压特性可知:吸气控制对流场既有稳定作用,又有扰动作用.当吸气流量比较小时,稳定作用占主导;随着吸气量增大,扰动作用越来越明显.     

可压缩轴对称冲击射流流场的数值模拟

数值模拟一种可压缩轴对称冲击射流。所构造的数值模拟方法是:直接求解柱坐标系下的二维可压缩Navier-Stokes方程的差分离散方程,其中对流项采用基于非等距网格上的五阶精度迎风紧致型差分格式,黏性项采用基于非等距网格上的六阶精度对称紧致型差分格式,时间项采用3步三阶精度Runge-Kutta方法。模拟不同雷诺数、马赫数条件下冲击射流大尺度涡结构的演化过程。结果表明:流体从喷嘴射出后卷起形成一个独立的大尺度负涡,即初生漩涡,它会在壁面处逐渐激发出一个具有正涡量的壁面二次生成涡;初生漩涡和二次生成涡互相旋转挤压,壁面二次生成涡的力量很快占优势,带动初生漩涡向流场内部发展;随马赫数的增大,初生漩涡具有更强的力量,抑制了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展;随雷诺数的增大,初生漩涡的力量有所减弱,促进了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展。