浮绳式网箱框架纲波浪力特性的初步试验研究

结合生产的实际需要,沿海浮绳式网箱生产的作用日益突出,因而研究其水动力特性非常重要。根据这一需要,采用预加张力的直交系泊方法,依据目前柔性浮绳式网箱尺寸和渔具模型试验方法设计、制作了一个柔性浮绳式网箱模型（1 m×1 m×1 m）,并进行了水槽试验。试验工况为规则波,周期为0.8～2.0 s（间隔0.2 s）,波高为50～250 mm（间隔40 mm）。在不同波浪周期、波高下,根据测量数据,分析研究作用在浮绳式网箱框架纲上波浪力的特性。试验结果表明：波浪力的变化与波浪特性相似,呈周期性、不对称变化,垂直于波浪方向的2根框架纲的波浪力峰值比与波浪方向平行的2根框架纲的稍小。框架纲上的波浪力不是同步变化的,存在一定相位差,但由于框架纲是柔性绳索制成的,因而能承受由于不同相位波浪力产生的扭矩剪切作用,证明了波浪作用下HDPE网箱常受到破坏而浮绳式网箱安然无恙的事实。最后,就水流和波浪共同作用下的网箱水动力学进行了试验研究,发现波流共同作用下的水动力值并不是单独在纯流和纯波下的水动力的值的简单相加,而存在一修正项。     

一种简易单点系泊系统的可行性研究

针对渤海海域海上油田的开采,提出了一种简易单点系泊系统,并在考虑风、浪、流三种截荷同时的作用的情况下,对该系统的可行性从总体上加以论证,利用设计谱理论计算油驳的波浪诱导纵荡和,利用经验公式计算油驳风力和流力,将以上三种力线性叠加得系泊力;利用设计波理论,由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式计算平台自身所受波浪力,利用经验公式计算风力,在考虑平台同时受到系泊、力、波流力、风力的作用下,计算平台的结构应力,最后选用Ａ     

极端海况下重力式网箱系泊系统数值模拟

开展系泊系统水动力研究对于大型深海重力式网箱在恶劣海况条件下的长期使用具有重要意义.首先采用集中质量法构建重力式网箱系泊系统简化力学模型,基于海洋工程水动力分析软件O rcaFlex建立重力式网箱数值模型,并通过水池物理模型试验验证了在规则波工况下数值模拟结果的可靠性;进而针对钦州湾20 m水深的重力式网箱系泊系统开展了极端海况下的水动力数值研究,极端海况采用了百年一遇极端波浪条件,考虑网箱结构的对称性特点,代表性地分析了0°与45°两种浪向角下系泊缆绳张力变化的差异.研究结果表明,当浪向角为0°即平行于系泊系统中轴线时,缆绳张力幅值较小且受力均匀.研究结论对同类型重力式网箱系泊系统的科学布置具有一定的参考价值,并为大型深海重力式网箱的规模化运行提供前期研究基础.     

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.     

非线弹性系泊缆系泊性能

针对材料特性为非线性的纤维缆,使用有限元法建立了非线弹性缆索方程的数值模型.在不同水深情况下,针对不同材料的4点系泊系统,通过分析比较浮体最大允许位移内各系泊系统的位移-回复力关系,以及缆索上端点水平张力占总张力的比重,得到使用轻质纤维缆的张紧系泊系统在深水环境下较其他形式的系泊系统具有优势.对材料特性为非线弹性的聚酯纤维缆计算缆上端点的张力,材料特性使用线性的应力应变关系拟合非线性特性,其结果与采用非弹线性模型的相应结果进行对比,发现线性化的拟合计算不能真实反映缆索内的实际张力情况,说明了使用非线弹性模型的必要性.以一Spar的系泊系统为例,分析了3种轻质纤维缆的动力特性差异,发现使用聚酯纤维能得到更好的系泊性能.     

系泊系统的设计

本文是对2016年全国大学生数学建模竞赛A题的解答,通过建立单点系泊系统二维静力学模型和三维静力学模型,求解出不同风速,水流力,水深和锚链规格情况下系泊系统的钢桶和各节钢管的倾斜角度,锚链形状,浮标的吃水深度和游动区域.在问题一中,对系泊系统中各部件作受力分析,建立单点系泊系统二维静力学模型,使用迭代法得到各节锚链坐标,画出锚链形状.问题二中,使用问题一中模型,分析可得风速为36 m/s时,因为重物球重量偏小,导致设备工作效果较差,所以使用二次拟合的方法得到合适的最小重物球重量.问题三中,建立单点三维系泊系统静力学模型,通过控制变量法,研究不同型号锚链的影响.     

配重变化对重力式网箱网衣水动力特性影响数值分析

利用集中质量方法建立了模拟水流作用下网衣动态变形的数学模型.利用此模型分析了重力式网箱在均匀流作用下,不同的配重重量对其受力和变形的影响.对不同流速不同配重大小情况下重力式网箱网衣所受荷载和变形进行了模拟.为了验证数学模型的有效性和数值模拟结果的正确性,将模拟结果与Lader等的试验结果进行了比较.结果表明计算和试验结果吻合良好,各种工况和配重条件下计算结果相对误差都在15%以内.该研究结果为水流条件下网箱的数值模拟奠定了基础.     

深海抗风浪网箱锚泊系统的设计

通过对网箱框架、网衣在风、浪、流作用下的受力分析，建立网箱锚泊系统缆绳受力计算的数学模型。以国家十五“863”计划课题一“深海抗风浪网箱的研制”所设计的网箱为例，选定山东荣成市寻山海域10年一遇的灾害海况为设计计算条件，根据Morison公式，采用Goodman—Lance方法求得单个网箱的锚泊力为65．67kN。在此基础上对网箱的锚泊系统进行设计，确定了锚泊系统每只锚重250kg，锚链重为150kg，缆绳长度为33m。     

相邻多浮体与波浪作用的共振物理现象数值模拟

基于Fluent的二次程序开发功能,利用动量源项造波方法,构建了数值造波消波水槽。利用所建立的数值水槽,对波浪与相邻三浮体作用的共振物理现象进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合良好。研究结果表明在低频波下,浮体系统中越靠后物体所受水平力反而越大。随后探讨了浮体浸没水深对共振的影响,指出任意物体浸没水深变小都将使得间隙共振频率往高频移动;所有物体水平受力大小与自身浸没水深总体成正相关,而竖直受力大小与自身浸没水深的关系对不同物体而言不同。最后探讨了双浮体系统中第三物体的前后加入形式对共振物理现象的影响,指出第三物体前后形式的加入都将使得间隙共振频率往低频移动,并且很大可能将出现第二共振频率。     

深水钻井平台运动对无隔水管环境下钻柱的影响

深水无隔水管钻井环境下,裸露在海水中的钻柱受到复杂动力作用。在考虑深水钻井平台运动、波流共同作用情况下,建立了深水无隔水管环境下钻柱受力理论模型。算例分析表明,钻井平台的慢漂运动对裸露在海水中的钻柱变形和受力有一定的影响。在满足强度要求的情况下,尽量选用直径较小的钻柱。无隔水管环境下,裸露在海水中的钻柱在泥线以下的长度越长,则钻柱上部所受拉力越大,从而可使泥线附近钻柱段的变形和受力情况得到改善。     

三维空间下的近海水声通讯系统传输节点的系泊系统设计

近海水声通讯系统由多个传输节点组成,每个传输节点由浮标系统、系泊系统和水声通讯系统组成,其系泊系统对水声通讯信号具有显著影响。在三维空间下,对近海水声通讯系统传输节点的系泊系统进行受力分析,得到了系统中各组成部分之间相互的受力关系,接着引入悬链线方程来刻画锚链的受力情况,并运用迭代思想及物体之间的几何关系,利用MATLAB与LINGO专业软件,建立了关于风力、水流力以及水深的系泊系统设计模型。     

水流影响下系泊系统设计的数学模型

通过对系泊系统的受力分析和力矩平衡,对水流影响下的系泊系统形态建立了差分方程组模型.并分别在水速为0 m/s、1.0 m/s且与风力成0°、45°、90°和180°的情况下,确定了210节链环的Ⅱ型锚链的形态.最后利用该模型解决了给定条件下,锚链型号、长度和重物球质量的选择和确定问题,即系泊系统设计问题.给出了在海水速度最大1.5 m/s,风速最大36 m/s,水深16~18 m下锚链型号、长度和重物球质量的最优解.     

截断系泊系统不同恢复力矩特性对于深水半潜式平台摇摆运动的影响

以工作在1.5km水深的半潜式平台为例,在截断水深模型实验中,设计5套符合水平及垂向回复力、最大单根缆受力特性相似的截断系泊系统,使之具有不同的力矩特性曲线.通过时域耦合计算,比较在这些截断系泊系统下平台的摇荡运动的差异,并与实验结果对比分析.结果表明,水深截断系泊系统的力矩特性是否相似对半潜式平台摇荡运动有一定影响,平台的水平偏移越大时影响越显著.说明在截断系泊系统设计中,保持与全水深系统一致的力矩相似特性的必要性.     

波浪和垂直透空式防波堤相互作用研究

分析了三种安装形式的垂直透空式防波堤在桩吃水、水深比和开孔影响系数变化时所受的波浪力变化,用MATLAB语言编程并计算绘制出透射系数和反射系数曲线。在不规则波的分析中采用谱分析理论,求得水平方向的累积频率波浪力。研究表明:几种安装形式的防波提中,悬空安装的透空式防波堤所受波浪力最小。计算结果可以给防波提的相关设计提供参考。     

风浪流作用下的FPSO外输CALM系统运动耦合分析

悬链锚腿系泊系统(catenary leg mooring system,CALM)在海洋油气开采工程中得到了广泛的应用.准确地预测CALM系统运动响应有助于开展输油管的疲劳研究,指导系泊系统的设计,从而防止断锚等危险事故的发生,保证装卸作业的顺利进行和人员、装备的安全.基于水动力分析软件,建立包括浮筒、穿梭油轮、系泊线及系船缆在内的不同类型结构的运动响应数值模型;考虑结构间的相互影响,对风浪流作用下的CALM系统进行时域耦合分析;研究了CALM系统在自存工况以及作业工况中的响应特性以及对环境因素的敏感性,得到了危险工况的发生条件及其水动力特征.所得结论可为实际工程设计提供参考和建议.     

波流对不同淹没深度水平圆柱的载荷分析

通过试验和数值模拟相结合的方法对水平圆柱与波浪、波流相互作用的问题进行研究.首先,在循环水槽中开展了波流与水平圆柱相互作用的试验,试验中分别测量流、波浪以及波流对不同淹没深度的圆柱的水平和垂直作用力.其次,采用RANS方程对部分试验工况进行数值模拟,并对波流与圆柱相互作用过程中自由面的变化以及波浪的反射情况进行分析.接着重点讨论圆柱所受波流作用力的峰值随圆柱淹没深度的变化规律,并将试验测量的受力峰值与Morison公式计算的理论值进行对比,发现波浪的反射和阻塞效应对波流作用力的峰值具有显著的影响.结果表明,波浪的反射作用使受力增加,波浪的阻塞效应使受力减小,而圆柱的受力峰值取决于这两者的相对强弱程度.在波浪反射和阻塞的共同作用下,圆柱的受力和Morison公式计算结果相比,在部分淹没和完全淹没状态下表现出不同的特性.     

风、浪、流联合作用下系统系泊力的时域计算方法

为解决海洋工程中系泊系统在风、浪、流联合作用下系泊力的计算问题 ,在时域内建立了一种计算防风水鼓系泊系统系泊力的方法。在分析波浪荷载时 ,使用了设计波法和非线性 Stokes五阶波 ,并由经验公式求出了船舶的风、流作用力。由准静态方法计算了初始条件后 ,在忽略了锚链和水鼓动态效应对船舶运动的影响的条件下 ,求解了系泊力和船舶的运动时历。再由二维集中质量法建立了锚链和水鼓的数学模型 ,用 Houbolt方法求解了锚链和水鼓的运动方程 ,并对系泊力进行了修正。模拟计算结果与经验公式计算结果吻合较好 ,且模拟计算的时域特征表现突出 ,建立的时域计算方法可用于防风水鼓系泊系统的系泊力计算     

在波浪作用下大型油轮码头防冲设施的设计探讨

由于油轮排水量的增大而使其吃水不断增大,大型油轮码头往往需要建筑在深水区,如果在岸边建造专供大型油轮停泊的码头,需要大量的挖泥,而且要维持这样大水深的港池需要很大的工作量,因此大型油轮码头往往远离岸边,这就使得这类码头处于开敞海岸的条件,而不宜建造防波堤来掩妒。通常这类码头常采用的型式有岛式码头、单鱼系泊和多点系泊等,本文主要探讨大型油轮岛式码头防冲设施的设计问题.当大型油轮停靠在这类开敞海岸的岛式码头旁时,在波浪作用下,油轮将碰撞码头,这种撞击荷载往往成了这类码头的主要设计荷载,为了减小碰撞力,必须设计合理…     

作用在斜坡海底管线上的斜向波浪力试验

通过模型试验研究了在斜向波浪作用下斜坡沙床上海底管线所受波浪力的变化规律。通过改变相对波高、K_c数以及管线与斜坡坡脚线夹角θ,测量管线中间位置截面表面所受波浪点压力和管线整体三维总力。试验结果表明,改变相对波高、K_c数和管线与斜坡坡脚线夹角,管线表面所受点压力和总力均呈现相应的规律,且θ对管线总力影响最大;管线所受波浪点压力表现为"正弦"曲线规律,局部表面受力在一定程度上反映了管线整体受力变化。     

波浪与水流作用对翼形网箱容积保持特性的影响

采用有限元法,对NACA0030型翼形网箱在纯浪和浪流共同作用下的容积保持率进行了计算,通过对比分析研究了网箱容积的变化趋势。研究结果表明:两类环境条件下网箱的容积保持率有所降低,浪高越大,降低越多,且随着波浪周期降低而降低;容积保持率变化情况呈现周期性变化,变化周期与波浪周期基本保持一致,容积保持率变化曲线存在相位前置约π/4;纯浪情况下网箱容积最大值出现于7/8T处,最小值位于2/8T处,而浪流情况下网箱容积最大值出现于7/8T处,最小值位于4/8T处;纯浪情况下会明显出现浮管与网衣X向运动的不协调,浪流共同作用时二者除了会出现纯浪条件下的X向不一致,也会导致Z向运动的不一致。水流对网衣的容积保持性能有较大的影响,翼形网箱实际使用时应着重加以考虑。