基于正交设计的浮式风机Spar平台动态响应优化

为了研究螺旋侧板及其各设计参数(螺旋侧板片数、高度、螺距比)对浮式风机Spar平台动态响应的影响,建立附加螺旋侧板的Spar平台浮式风机整机模型。基于数值模拟和有限元方法,结合正交试验设计方法研究螺旋侧板及其各设计参数对浮式风机Spar平台动态响应的影响,并与不附加螺旋侧板的Spar平台进行对比。研究结果表明:螺旋侧板可明显抑制浮式风机Spar平台的垂荡、纵摇运动响应,对纵荡运动响应影响不大;在所设定的螺旋侧板各设计参数范围内,片数为2、高度为15%D(D为Spar主体直径)、螺距比为5为较佳的螺旋侧板设计参数组合;螺旋侧板高度和螺距比是优化Spar动态响应的最关键设计参数。     

地震与波浪作用下近海风电结构响应及倒塌模式

极端地震作用下近海风电结构反应的数值模拟涉及几方面问题:塔筒-基础-地基-边界系统有限元模型建立的合理与便利性;地震作用联合波浪力作用;不同地震波对风电结构体系不同作用特点.首先,开发了塔筒-复合筒型基础-地基-透射边界的可视化智能建模程序TJU.WPS(Wind Power Structure).然后,计算分析大震和波浪联合作用的风电结构动力响应,研究结构体系的地震反应对波浪力和不同地震波的敏感性;最后,分析超大震作用下风电结构的倒塌破坏模式.结果表明,(1)开发的TJU.WPS程序界面友好方便、快捷、实用可靠;(2)分析并解释了天津波、迁安波和Taft波3种典型地震动及与波浪力共同作用时风机结构振动的频谱特性,强调了波浪力的不容忽视性:与单独输入地震波相比,波浪力能够显著改变结构动力响应功率谱中能量的分布;(3)论述了3种典型地震动作用下风机结构的破坏模式相同点及其区别:超大震作用下风机结构都将脱开地基向上运动,最终回落到地基,但是风机结构脱开地基所需的不同地震波的最小峰值及脱开时刻不同.     

半潜式风电机组平台水动力模型试验及数值模拟研究

针对某深远海漂浮式风电机组运动响应受风载荷影响的问题,进行了缩尺模型的水池试验以及实尺模型的数值模拟计算：根据水池自由衰减试验得到的自由衰减曲线及衰减消灭曲线,对基于势流边界元建立的数值模型进行了必要的阻尼修正;用数值方法计算得到的平台运动RAO结果与水池试验生成白噪声非规则波时测量得到的平台运动响应结果进行了对比分析,确保了所建立数值模型的准确性,同时验证了白噪声非规则波试验的可行性;通过时域及频域数值计算方法与试验方法相结合,对比研究了恒风条件下和无风条件下白噪声非规则波作用时平台的运动响应,以及相关的波浪载荷与风载荷的幅值与相位频谱．根据上述计算及研究结果,最终初步总结出了风载荷对风电平台半潜式浮式基础的运动响应的主要影响形式及原因．研究结果表明：风载荷对平台运动的影响与风、浪载荷主要频率成分处频率、幅值以及相位有关．在风载荷与波浪载荷的能量集中频率基本一致,且与平台运动固有频率相重叠时,风载荷的影响会得以显著体现(本文中差异约22%),而影响的形式(增强或削弱运动幅值)则取决于此时风载荷与波浪载荷的相位差：当风、浪载荷同相位时,联合载荷作用下相关自由度的运动幅值将显著增大,反之...     

点头鸭式波浪能采集装置的数值模拟

为优化波浪能采集装置,以FLUENT软件为平台,建立了“点头鸭”和波浪水槽模型,对“点头鸭”在稳态均匀流和非稳态规则波作用下的水动力学特性进行了数值仿真。水槽中的规则波采用推板造波的方式生成,自由水面的追踪采用VOF方法确定。模拟得到了两种水流环境中“点头鸭”在受来流冲击时,鸭体所在区域的压力分布、速度分布以及鸭体所受波浪力的变化规律。结果表明,在均匀来流环境下,来流速度越大,鸭体所受波浪力越大,且随攻角增大而增大的趋势越发明显;在规则波环境下,鸭体所受波浪力近似呈周期性变化,其大小与攻角角度有明显关系,但并非呈单调变化。在所研究的工况中,攻角为60°时,鸭体所受的波浪力最大,此时“点头鸭”装置具有最大的可发电机械能。     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

波浪与地震荷载共同作用下桩的动力响应

海洋风机单桩基础会受到波浪荷载的循环作用,同时会面临地震荷载的威胁,因此,海洋单桩基础所处的环境较为复杂.然而,目前大多理论研究主要考虑波浪荷载或地震荷载作用下的桩基动力响应问题.本文采用有限元方法建立了波浪-地震-桩-海床耦合模型,数值分析方法基于Abaqus隐式动力分析.采用Morison方程模拟波浪对于桩基础的作用,海床采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,桩为弹性介质,地震波通过加速度的形式添加在模型底部.主要研究埋置在海床中桩的动力响应问题,如:加速度、位移、弯矩以及剪力等.结果表明:地震荷载对于海上风机单桩基础具有重要影响.在地震荷载作用下,桩的加速度以及位移响应均有一定程度的放大.土体性质以及桩的参数对于海上风机单桩基础设计至关重要.     

波浪与斜坡堤护面块体相互作用的SPH-DEM数值模拟

基于SPH方法和离散单元法(DEM)建立了二维流固耦合数值模型,模拟了波浪作用下斜坡式防波堤护面块体的水动力变化特性.流体模型采用经黎曼接触算法和CSPM修正后的SPH方法,水槽固壁和造波边界以及结构物边界采用固壁粒子法处理.离散护面块体的运动和受力采用DEM方法来模拟.流体与固体的交界面处满足界面力平衡条件.应用所建立的二维SPH-DEM耦合数值模型模拟了波浪与斜坡堤护面块体的相互作用,分析了波浪爬坡过程中的流场变化以及波压力沿胸墙的分布规律.物理模型试验验证了所建立的数学模型.     

船舶在斜浪规则波中的载荷响应分析

为了研究大型船舶在斜浪中的水弹性效应及波浪载荷特征,选取矩形管状和圆形管状的组合梁作为分段模型载荷试验的龙骨梁,并合理设计组合管状龙骨梁,以保证模型垂向弯曲刚度和扭转刚度的纵向分布与实船相似.通过对分段模型在拖曳水池中不同航速、航向和海况下的规则波试验结果分析表明,分段模型能够较好地模拟船体弹性效应.同时,基于三维非线性水弹性理论对船舶在典型工况下的载荷响应进行了数值预测,与试验结果的对比表明,所用数值方法可以准确地计算大型船舶的波浪载荷.     

地震作用下固定式海上风机动力模型试验及耦合数值研究

海上风机是复杂环境荷载作用下多自由度复杂结构体系．为揭示环境荷载、转子机舱组件及支撑系统之间相互作用对海上风机结构运动响应的影响,建立水动力和结构弹性联合相似准则、气动力的牛顿相似准则,开展了地震、风、波流联合作用下海上风机整体结构动力模型试验,验证了风浪等环境荷载对于地震作用下五桩基础海上风机结构响应的影响．基于FAST v8推导并建立了地震、风、波浪联合作用下海上风机整体耦合数值仿真模型,揭示了该工况下海上风机结构响应的耦合特性,同时发现停机保护策略并不能有效降低海上风机结构地震响应．进一步,探讨了调谐质量阻尼器对海上风机在地震组合工况下的振动控制效果．     

考虑流固耦合的近海风机动力响应数值计算

研究了固定式海上风机的流固耦合问题.选取美国可再生能源实验室(NREL)建立的5 MW海上单桩式风机模型,采用Kaimal谱和风剪切指数理论模型,通过NREL编写的程序—TurbSim,生成脉动风场,进而使用气弹程序FAST计算风力机的气动荷载,输出包括剪力和弯矩在内的塔顶荷载时程.选取Pierson-Moskowits波浪谱,并利用谐波叠加法模拟随机波浪.采用Morison公式计算波浪力,分别建立了海上风机塔架考虑与不考虑流固耦合效应时的动力方程及数值模拟方法,并对比分析了这两种情况下的波浪力和结构响应的差异.结果表明,两种情况下计算得到的波浪力和风机响应有明显差异,并且这种差别跟风浪大小等因素有关.     

基于SPH-FE方法的波浪中结构物动力特性模拟研究

海工结构物在波浪荷载作用下产生动力响应,本文基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FE)耦合方法对结构物受孤立波冲击过程中表面压力分布和动力响应特性进行研究.通过溃坝模型模拟了水柱倒塌冲击结构物的过程,分析SPH模型中粒子间距对数值结果的影响,并通过与文献结果对比验证了本文数值方法的可行性.在此基础上研究水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度对波浪到达时间、结构动力响应和波浪冲击荷载特性的影响.研究结果表明:在本文计算条件下,波浪到达结构物的时间与溃坝初始水柱高度关系不明显,但随水柱与结构物间距的增大而线性增加;结构物顶端位移响应幅值随水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度的变化较明显;结构物所受波浪冲击荷载与水动力作用呈正相关关系;当水动力作用相同,结构刚度增大时,结构物底端所受波浪力会增大.     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

基于CFD的小尺度桩柱流固耦合分析及波浪力求解

基于Workbench平台建立了软土地基圆柱桩波浪作用分析的三维数值波浪水池,实现了线性波的数值模拟及波浪与桩柱的双向流固耦合分析,并得到波浪力数值解.对于小尺度桩柱,桩柱为刚性时其所受波浪力与《港口与航道水文规范》中规范解一致.考虑桩柱的柔性及流固耦合时,在达到峰值的位置波浪力与规范解相比既有增大也有减小,桩柱总波浪力最大增大5.7%,桩底弯矩最大增大54%.而采用直接加载法即不考虑流固耦合时桩柱的振动幅值大于耦合时桩柱振动,桩底弯矩最大,大于规范解84.6%.因此,在进行小尺度柔性桩柱设计时应采用流固耦合方法.     

传统Spar平台垂荡-纵摇耦合内共振响应

本文中研究规则波浪下经典Spar平台垂荡-纵摇耦合运动内共振动力特性．考虑垂荡频率与纵摇频率的2：1的内共振关系,在无系泊状态下建立了平台非线性耦合运动微分方程．应用MOSES软件建立了平台模型,计算了不同波浪周期下的一阶波浪激励力．采用多尺度方法求解垂荡-纵摇耦合运动响应的定常解并进行数值验证．计算结果表明,当波浪频率接近垂荡固有频率且波高达到某一极限时,平台垂荡运动的能量达到饱和;当波高继续增加时,垂荡能量开始向纵摇运动转移,导致平台发生大幅纵摇运动．     

循环水槽多层孔板消波装置开发及消波特性数值模拟

基于k-ε湍流模型,在STAR-CCM+平台上建立数值波浪水池,开发透水式多层开孔板消波装置并研究其消波特性.波浪水池利用流体体积(Volume of Fluid, VOF)方法追踪自由液面,采用STAR-CCM+的VOF WAVE模块造波,出口边界设置阻尼消波区.通过对一系列指定波浪的模拟,验证了数值水池的准确性.改变波长、波高、水流的流速和方向,可得到消波装置在不同波流条件下的反射与透射系数.结果表明:反射系数和透射系数均随波长增加而增大;反射系数随波高增加而增大,透射系数随波高增加而减小;波流共同作用工况下,反射系数和透射系数远小于波浪单独作用工况;在模拟波流条件下,所开发的消波装置消波性能显著.     

数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

基于两相湍流珊瑚礁地形的波浪数学模型

珊瑚礁地形的波浪非常复杂,礁坪破碎后的波浪对礁体、防波堤等影响很大。为了更好地了解珊瑚礁地形下规则波的传播变形特征,文中基于雷诺平均的纳维埃-斯托克斯方程建立了珊瑚礁地形上的波浪数学模型,其中湍流模型采用两相的k-ω SST方程,数值模拟在OpenFOAM开源工具中进行。本模型通过文献中的物理实验数据进行验证,分析了珊瑚礁地形上的波高、增水和波面形态变化,并与标准k-ω SST模型的结果进行比较,结果表明:文中模型能有效减轻自由表面附近过度产生的湍流动能,波高和增水的模拟结果相比标准k-ω SST模型的更加准确;波浪在珊瑚礁地形上破碎时破波区的湍流动能主要集中在波峰附近,波谷的湍流动能则很小;在湍流动能的影响下,模型在破碎点处的波高减小、减水增大,破碎后的波能耗散增大。文中波浪数学模型可应用于珊瑚礁工程设计的波浪计算中。     

贝宁海滩上波浪传播演变特性研究

为分析贝宁海滩上波浪传播演变特性，基于开源波浪数值计算软件COBRAS建立了贝宁典型海滩剖面数值模型，模型中采用k-epsilon紊流模型求解雷诺应力，采用流体体积法捕捉自由液面，并采用斜坡上波浪破碎试验结果对数值模型进行了验证。基于该模型对常浪条件和极端波浪条件下海滩上波浪传播规律的模拟结果表明：常浪条件下波浪主要在沙坝附近发生破碎，极端波浪条件下波浪在沙坝外侧200 m处开始发生破碎；破碎区域内水质点速度较大，常浪条件下沙坝周围的流速可达7.5 m/s,极端波浪条件下破波带内水质点速度可达12.4 m/s,且波浪回流与入射波浪在沙坝周围相互作用会形成较强的涡旋；随着波浪非线性的增强，波浪爬高也逐渐增大，在极端波浪条件下，沙丘上会发生越浪。     

基于潜堤地形上的波浪传播模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navier-Stokes方程。应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。建立潜堤地形下的波浪水槽模型,模拟潜堤地形下的波浪传播,其结果与实验值对比吻合良好,验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。     

极端海况下海洋立管的动态可靠性分析

运用ANSYS有限元模拟软件,以一海洋立管为模型,采用Morison方程结合Stokes五阶波理论计算波浪力。研究了海洋立管在波浪、海流载荷同时作用下的动力可靠性。利用格拉马-沙尔勒叶级数拟合法分别对海洋立管在三种极端海况下最大米塞斯等效应力响应的分布密度函数进行求解,获得其概率密度分布模型。利用数值积分,采用应力-强度模型计算海洋立管的动态可靠度。分析结果表明:当海况严峻程度增大时,结构的最大米塞斯等效应力随之增大,海洋立管的动态可靠度随之减小,失效概率随之增大。研究结果可以为极端海况下海洋立管的可靠性评估和安全开发提供了一定的理论依据和重要的参考价值。