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.     

风电机组塔筒结构绕流风场的数值模拟研究

为研究风电机组塔筒结构的气动力特性,基于ANSYS软件,建立了塔筒结构的简化模型并对其进行绕流风场的数值模拟分析,主要探讨了塔筒结构表面风压分布特征,风场风速、湍流度及不同高度比对塔筒表面风压分布的影响.结果显示,圆锥塔筒结构背风面在绕流作用下沿高度方向由上向下形成连续几个回流区,导致背风面受到正压作用;不同风速只有对塔筒背风表面压力大小有较之明显影响,而对塔筒迎风面及侧风面压力大小影响很小;湍流强度对模型表面风压系数大小有不同程度的影响,随着湍流强度的增加,模型侧面(大部区域)、背风表面的压力绝对值相应减小;不同高度比对模型表面风压分布有显著影响.研究结论可为风力发电机塔筒结构的设计提供参考.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过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。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过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。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

大型浮体水动力响应特性数值模拟及减摇措施

为研究马尔代夫海域大型浮体水动力响应特性及减摇措施,基于三维势流理论和刚体运动方程建立了浮箱水动力响应数值模型,分析了不同纵横比浮箱的水动力响应特性,讨论了减摇板布置方式及形式对浮箱减摇效果的影响,并在此基础上给出了较优的减摇板布设方案。结果表明:纵横比为2∶1的矩形浮箱在各个浪向下的运动响应相对平稳;减摇板宽度对浮箱横摇的控制作用较明显;浮箱迎、背浪面同时安装减摇板时减摇效果受安装高度影响显著;对于迎浪侧的双层开孔减摇板,上层减摇板开度40%时对浮箱横摇控制较好,浮箱横摇有义值极限海况下可降低16.9%,建议优先选用上层带开度的单侧双层减摇板布设形式。安装减摇板对波浪作用下浮体结构强度影响较小,应着重关注减摇板与外壳的连接强度。     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

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.     

锚拉式桩板墙结构模型试验和数值模拟研究

对一种新型的挡土结构锚拉式桩板墙，采用模型试验和有限元计算方法，研究了在不同工况下其受力作用状态，为设计和施工提供参考依据。     

土石坝动力离心模型试验颗粒流数值模拟

以长河坝离心模型试验为基础,开展颗粒流细观数值模拟研究,分析大坝在不同地震加速度和离心加速度下的动力响应(加速度和位移)和破坏模式,并对长河坝双向振动台模型试验进行了数值模拟分析.数值模拟结果表明:数值模拟规律与离心振动台试验规律基本一致,坝体的地震破坏模式为坝顶局部滑动破坏;同一高程坝坡位置的动力响应大于心墙位置;随...     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

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.     

基于模型试验和数值模拟方法的深吃水立柱式平台碰撞特性

针对深吃水立柱式平台存在遭受船舶撞击的可能性,从外部机理和内部机理两方面进行碰撞特性的研究.外部机理的研究采用水池模型试验方法,研究驳船正向撞击锚泊在1.5km水深处的立柱式平台的碰撞特性.内部机理的研究采用非线性数值模拟方法,模拟刚性球鼻首撞击立柱式平台的场景.外部机理研究发现,平台的最大水平运动幅度、最大纵摇角和最大系泊力都与撞击船初始速度基本成线性关系.系泊系统主要体现其弹性特点,所承受的载荷小于其破断力.内部机理研究发现,撞击能量主要被双壳结构的外围构件所吸收,双壳结构设计方式能够有效地保护月池内部设施.     

不规则波作用下浮式平台对浮式栈桥运动响应特性的影响

浮式平台-浮式栈桥系统具有运输拼组快速,受海底地形环境影响小等优点,在陆-海间大规模人员、物资和装备输送中发挥重要作用。为探究浮式平台-浮式栈桥系统在波浪中的运动响应特性,基于势流理论建立了浮式平台-浮式栈桥多浮体系统的数值模型,计算了该系统的运动响应,并与水池试验的测量结果进行了对比验证。结果表明所建立的数值模型能够较为准确地反映该多浮体系统在不规则波中的运动响应特性。在此基础上,进一步研究了不同波浪谱峰频率、浪向角和桥节相对平台位置下平台对浮式栈桥运动响应的影响。分析发现：高频波浪下平台对栈桥运动的屏蔽效果较低频波浪下更优,运动响应可减少约40%~50%;迎浪状态下平台对栈桥运动的屏蔽效果优于斜浪状态;当波浪入射方向相对稳定且浪向角小于20°时,相较于将栈桥布置于近浪侧和中部的情况,平台对远浪侧栈桥运动的屏蔽效应更显著。     

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.     

双板驱动矩形空腔STOKES流动的数值模拟

用边界元方法对A =1.5 ,s为任意值时的双板驱动矩形空腔Stokes流动进行数值模拟 .研究了矩形空腔内涡旋生成和发展的规律 .数值计算结果表明 :在s的绝对值不太大的范围内 ,伴随s的增加 ,矩形空腔内涡旋的生成、发展过程可由s的 5个临界点分成 6个阶段 .第一个临界点 ,s =- 8.5 5 ,1个涡旋变成 2个涡旋 .第二个临界点 ,s =- 0 .118,2个涡旋变成 1个涡旋 .第三个临界点 ,s =- 0 .0 0 0 1,1个涡旋变成 3个涡旋 .第四个临界点 ,s =0 .0 5 ,3个涡旋变成 2个涡旋 .第五个临界点 ,s=15 5 ,2个涡旋变成 3个涡旋 .s =- 1时的数值计算结果与理论分析结果以及实验结果比较完全一致 ,令人非常满意 .特别是 ,本文方法适用于不同高宽比和任意速率比的矩形空腔驱动流动问题 ,因此不但具有方法上的理论意义 ,而且数值计算结果还具有工程应用上的实际意义 .     

深水半潜平台动力定位时域模拟研究

以低频时域水平运动方程为基础,考虑各种低频载荷作用以及动力定位模型,建立起一种半潜平台功率消耗的时域模拟系统,研究了一艘半潜平台动力定位系统功率消耗变化的规律,在满足定位精度要求的前提下计算得到了平台动力定位系统能够承受的极限水深,并对平台动力系统的定位精度随功率消耗的变化进行了探讨,以期为工程实际提供指导.     

条带式加筋土挡墙力学性能模型试验及数值模拟

通过室内模型试验对条带式加筋土挡墙的作用机理进行探讨.测试挡墙面板的水平位移、侧向土压力以及筋带轴向应变在填土表面局部逐级加载情况下的变化情况,并利用有限元软件进行数值模拟.数值模拟与模型试验结果一致表明,土体中加入筋体材料能明显提高其稳定性;在各级荷载作用下挡墙面板的侧向土压力沿墙高向下逐渐增大,而侧向位移沿墙高向下则逐渐减小;筋带的轴向应变呈单峰状分布.模型试验中,局部逐级荷载作用下,挡墙面板的侧向土压力增量沿墙高向下逐渐增大;侧向位移增量明显上部大于下部;筋带沿其轴向应变的增量先增大后减小.     

水介质爆炸容器动力响应的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟水介质爆炸容器在不同TNT当量炸药于容器中心处爆炸时的动态响应,并与实测数据进行比较。结果表明,容器筒体爆心环面处的应变幅值在第一个周期内就达到最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;在容器椭圆封头处出现应变增长现象,封头顶端的最大主应变峰值大于筒体爆心环面处的应变峰值,且封头顶端的加速度峰值也明显大于爆心环面处的加速度峰值,仿真计算值与实测值吻合较好。在设计同类水介质爆炸容器时,应重点加强筒体爆心环面处和封头顶端。     

爆炸载荷下扁平绕带式高压容器动力响应的数值模拟

采用大型非线性有限元程序LS-DYNA对缠绕角度为20°的多层扁平绕带式压力容器在承受内部中心爆炸冲击载荷下的动力响应进行了数值模拟分析。作为比较,对相同尺寸的单层圆柱爆炸容器也作了相应的模拟。计算结果表明:中心爆炸加载下,多层扁平绕带式压力容器的最大变形和最大应力都出现在爆心截面处,多层扁平绕带式压力容器的变形大于相同尺寸单层圆柱爆炸容器在同一位置的变形;钢带带长方向为拉应变,带宽方向为压应变。     

有关离心模型试验的路桥变形耦合特性数值模拟研究

路桥在变形特性方面是存在差异的,这就对行车的安全性造成了影响,因此,如何完善不同结构物连接处的过渡段设计是工程设计者普遍关注的问题。该文通过建立路桥过渡段三维数值分析模型,对计算结果和离心模型试验的结果进行分析,对路桥变形耦合特性进行了研究,并得出了相关结论。