深海浮式风机在波浪上的运动响应分析

浮式风机系统在作业中受到空气动力、波浪力和系泊系统系泊力的共同作用。该文建立了一种时域耦合分析方法对浮式风机系统进行全耦合运动响应分析,主要包括空气动力模块、水动力模块和系泊系统模块。空气动力模块采用CFD方法模拟风机叶轮受到的风载荷,并通过NARMAX理论建立风载荷模型;水动力模块采用势流理论,通过自由面GREEN函数法计算浮体的频域水动力系数,再将结果转换到时域;系泊系统模块采用锚泊线理论,用三维有限元方法对挠性部件进行分析;系统的运动采用Newmark-β方法求解。在此基础上,针对一深海Spar型浮式风机系统建立耦合模型并进行计算,得出风载荷模型、平台的水动力系数以及在脉动风下浮体运动响应和系泊缆索张力响应。经验证,该耦合模型的计算结果可为风机和系泊系统的设计提供一定的参考依据。     

深水FPSO时域耦合动力分析

采用基于三维频域Green函数及傅里叶变换的间接时域法计算了浮体的水动力特性,并采用非线性有限元法对系缆进行了模拟。通过完全时域耦合分析方法求解系泊浮体的时域控制方程,得到了系泊浮体的运动响应和系缆的张力变化。针对一深水单点张紧式系泊的FPSO进行了理论计算,并将计算得到的浮体运动时历、系泊缆索上端点张力时历及相应统计结果与模型试验结果进行了对比,发现理论计算结果与模型试验结果吻合良好。该数值模型可用于深水浮体与系泊系统的耦合计算,计算结果可为进一步探讨深海系缆材料的非线性和疲劳断裂问题提供可靠的理论依据。     

FPSO串靠外输系统动力分析

FPSO串靠外输方式因其对环境的适应性好,安全性较高,是FPSO原油外输的主要方式。该文考虑了风、流和系泊缆索的耦合动力,建立了FPSO串靠多浮体系泊系统的时域耦合运动模型,其中浮体时域水动力系数由频域的结果通过快速傅立叶变换转换得到。数值求解时,浮体时域运动方程采用Newmark-β法,系泊缆索采用时域非线性有限元方法。基于自主开发的Fortran计算程序对南海海域一艘张紧式系泊FPSO与其配套的躺底式系泊穿梭油轮及两船间系泊大缆组成的串靠输油系统进行了理论计算,得到了FPSO及穿梭油轮的纵荡运动响应,系泊缆索上端点张力,系泊大缆张力等时间历程。通过谱分析讨论了低频波浪力和波频波浪力对FPSO串靠系泊系统的作用。同时探究了风向和流向对FPSO串靠系统的影响。该串靠多浮体系泊系统耦合动力模型能合理解释物理现象,可用于分析实际作业的串靠外输系泊系统。     

南海浮式码头与系泊系统动力耦合分析

南海部分海域由于海底地形限制,运输船舶无法正常靠泊作业,可采用成本较低的浮式码头供运输船舶停泊使用。该文应用基于开源平台Open FOAM开发的船舶与海洋工程CFD求解器―naoe-FOAM-SJTU,对一座分布式系泊系统的浮式码头在入射波浪作用下的运动响应进行了数值模拟。文中系泊系统的求解采用基于集中质量法的动力分析方法,给出了码头运动和系泊系统所受动力的时历曲线,并且将结果同静力分析进行对比,验证了采用动力分析方法的可靠性和必要性。     

基于重叠网格法数值分析塔架对风机气动性能的影响

随着计算机技术和数值模拟方法的迅速发展,计算流体力学方法(CFD)成为对浮式风机性能进行分析研究的重要途径。naoe-FOAM-os-SJTU是在原有CFD求解器naoe-FOAM-SJTU基础上,结合重叠网格技术开发的面向船舶与海洋工程新的CFD数值求解器。该文应用naoe-FOAM-os-SJTU求解器对塔架对风机气动性能的影响进行数值分析。模型网格采用重叠网格技术进行处理,计算模型选用美国国家可再生能源实验室的大型风机NREL-5MW风机。对带塔架NREL-5MW风机进行气动力数值模拟和分析,数值计算得到风机和塔架所受推力与扭矩的历时曲线,风机不同截面的压力分布,以及尾流场的信息。将计算结果与无塔架的数值模拟结果进行对比分析,分析塔架对风机气动性能的影响。     

风浪流荷载下基于AQWA的海上Spar型浮式基础稳定性分析

为了解决现阶段可再生能源利用的问题,实现深海风能的有效利用,针对设计出的OC3-Hywind 5MW Spar型浮式平台基础部分在风浪流荷载下的稳定性问题进行研究。利用ANSYS中的水动力模块(AQWA)分别对结构进行频域以及时域耦合运动响应仿真模拟,比较分析了不同工况下浮式结构各个自由度下的运动响应值,以及配重块在系泊不同位置处对结构运动响应值及系泊力的影响情况。结果表明:在不同工况作用下的浮式结构在纵摇自由度方向上的运动响应极值主要受风荷载影响,随着风速增大,响应极值也随之增大,在其他自由度上的响应极值受风、浪荷载影响较小;改变配重块在系泊缆上的悬挂位置对浮式基础在纵摇和首摇自由度方向的运动有着显著影响,并且随着配重块距离锚固点越近,响应值越大,越不利于浮式基础的稳定;未悬挂配重块的系泊力高于悬挂了配重块的系泊力,随着配重块悬挂位置离锚固点越远,系泊力越小,越能保证浮式基础在恶劣海况条件下的稳定性。     

波浪作用下浮体自由升沉运动对月池共振影响研究

当波浪激励频率与月池的固有频率耦合时,月池流体会产生大振幅共振行为,引起流体和浮体的剧烈运动,使工程作业存在一定的安全隐患。该文基于开源流体力学计算软件OpenFOAM~?软件包建立了黏性流数值波浪水槽,对波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振水动力行为进行了研究分析。为验证该数值模型,将其结果与实验数据进行对比,以确保数值计算的准确性。结果表明：在波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振存在双峰现象,而固定浮体仅存在单峰。自由升沉系统两共振频率对应的月池内波幅响应和浮体运动响应的峰值,均随入射波高的增加而减小,共振频率不随入射波高而变化。同时,考虑结构物吃水的影响,发现该系统共振频率随吃水增加而减小,表明吃水对月池内波响应和浮体运动响应均有显著的影响。     

缆索连接水面和水下二维双浮体系统流固耦合动力学分析

针对由缆索连接的水面和水下二维双浮体系统,该文研究了其在线性规则波浪载荷作用下的流固耦合动力学特性。首先,描述了包含有动边界的浮体系统流场数学模型及其控制方程,基于ADINA软件仿真平台并采用速度边界造波法建立了数值波浪水槽,采用ADINA-FSI分析模块计算了波浪与浮体系统的流固耦合动力学响应。在此基础上,讨论了缆索密度、弹性模量以及浮体相对几何尺寸对系统水动力学特性的影响,获得系统动力学响应过程中缆索的应力状态和浮体的位姿状态及其水动力学性能。计算结果对研究海洋工程领域中由缆索连接的柔性不完全约束多浮体系统动力学行为具有重要的工程意义。     

内河锚泊浮式码头水动力性能分析

近年来内河水路运输飞速发展,浮式码头以其自身优势多运用于潮差较大的河段,由于浮式结构受风浪等环境因素影响较大,故对其水动力性能的研究至关重要。应用基于三维势流理论的水动力分析软件ANSYS/Workbench/AQWA建立浮式码头数值仿真计算模型,对浮式码头分别进行了频域分析和时域分析,考虑JONSWAP波浪谱与API风谱联合作用下浮式码头的运动响应,研究了不同的码头宽度和吃水深度对其水动力性能的影响。分析研究结果表明,浮式码头固有周期大约为3~8 s,设计时需注意避免固有周期与波浪遭遇周期接近,以免发生共振;浮式码头在高频区域内稳定性较好,但耐波性较差;适当增加浮式码头宽度、减小吃水深度可以减小其运动响应幅值,研究结果可为锚泊浮式码头的设计提供理论参考。     

不同质量比多柱式平台涡激运动特性数值研究

浮式海洋平台在一定的海流条件下,立柱两侧会发生旋涡脱落,进而产生涡激运动。涡激运动会对立管及系泊系统造成疲劳损伤,影响平台的正常工作和使用寿命。因此研究浮式平台的涡激运动具有重要意义。涡激运动是一种复杂的物理现象,其中质量比是影响涡激运动特性的重要参数。该文基于自主研发的船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,采用基于剪切应力运输(shearstresstransport,SST)的延迟分离涡模拟(delayeddetached-eddy simulation, DDES)方法处理高雷诺数下三维流动分离,数值模拟了不同质量比的多柱浮式平台涡激运动响应情况,并将数值模拟得到的运动响应与模型试验结果进行了对比分析,验证了数值模拟的可靠性。同时分析了平台运动和受力随质量比的变化规律,并对典型时刻平台周围的流场进行了详细分析。     

柔性连接多浮体在不规则波中运动的预报方法

本文介绍了一种频、时域杂交法，用于预报柔性连接多浮体在波浪中的运动。其中采用三维频域法适时求解浮体的水动力系数，在时域内求解浮体的运动方程，可同时求解非线性锚链力、连接器受力和护舷受力。利用本方法预报了柔性连接的“口”字形六浮体系统在波浪中的运动，结果与试验结果具有较好的吻合程度。     

系泊系统动力分析

对于海上定位采用的系泊系统,采用时域有限元法建立了缆索方程的数值模型。以单点系泊和多点系泊的模拟比较为例。对于单点系泊,通过给定上端点正弦运动,对锚泊线进行动力计算,与试验结果进行了比较。对于多点系泊,针对一Spar平台的张紧系泊系统进行了理论计算,并将计算得到的上端点张力时历及统计结果与相应的模型试验结果进行了比较。通过比较可以发现理论计算结果与模型试验结果吻合良好。该数值模型可用于不同水深下平台和系泊系统的耦合计算等。     

平行靠泊平台水动力响应研究

船舶在海上过驳作业时,多浮体之间往往相互靠泊,形成狭窄水域。在环境载荷的作用下,可能激发流体和浮体的耦合运动,造成靠泊困难。该文针对浅水海域采用坐底平台过驳卸载的方案,评估了平行布置靠泊船之间的水动力干扰,设计了靠泊船只的系泊方案,并在时域中进行了水动力响应分析,得出了靠泊浮体的运动响应以及坐底平台的坐底稳定性和抗滑移性能。结果表明：设计系泊方案能够有效地旁靠两艘浮体,并且结构物之间的相对运动在较小范围内,系泊缆绳的张力值和防撞垫的受力也都在容许范围内。此时,坐底平台承受了较大的水平推力作用,需要较大的压载来增加其湿重,以实现水平抗滑移能力。该工作为浅水海域平台靠泊时的水动力分析和系泊设计提供了相关参考。     

浮箱系泊系统锚索静力特性分析

锚索的静力特性对浮箱系泊系统安全性及稳定性起着至关重要的作用。因此,有必要对浮箱系泊系统的静力特性进行深入研究,进一步为系泊系统设计计算提供参考。基于弹性悬链线理论及多点系泊系统静力计算方法,结合大型水动力学软件AQWA,选取一典型的矩形浮箱式结构系泊系统为数值仿真算例,并根据浮箱基本参数及相关技术要求,分别建立张紧式和悬链式系泊系统静力分析模型。详细研究了系泊缆索张开角度、系泊半径、缆索材料、张紧程度等关键敏感性参数对系泊系统缆索张力及位移静力特性的影响作用。研究结果表明:在讨论范围内,增大系泊半径、使用合成纤维索、适当增加预张力,可以加强对浮体运动的约束,进一步提高系泊系统的稳定性,增强系泊系统适应环境的能力。     

浮式结构物在波浪中的运动响应计算

根据线性波理论和三维源汇分布方法，提供了大尺度浮式结构物在波浪中运动的水动力系数、波浪载荷以及运动响应的计算方法，应用Ｎｅｗｍａｎ的深水Ｒｅｅｎ函数及其数值方法，对于半球、矩形箱式结构物和半潜式平台的考核计算表明，同模型试验结果符合程度是令人满意的。     

基于CFD的船-舵水动力干扰数值研究

该文采用基于RANS方程求解的CFD方法,对匀速直航的船-舵系统的黏性绕流场进行数值模拟,计算了不同船速和不同舵角下的船-舵水动力干扰系数,计算中忽略了自由面兴波及螺旋桨的影响。文中以KVLCC1船、舵模型为研究对象,首先将数值计算的船舶水动力及船-舵水动力干扰系数结果与模型试验数据进行比较,验证了所采用数值方法的有效性;随后,对船-舵系统、裸船体和敞水舵分别进行计算,通过水动力计算结果的比较以及流场分析,对船-舵水动力相互作用进行了数值研究。     

漂浮式海上风电关键技术与发展趋势

漂浮式海上风电是深远海风电开发的关键技术,是实现碳达峰、碳中和的重要途径之一。漂浮式风机系统设计涉及气动力学、结构动力学、伺服控制系统、水动力学和系泊动力学等多个学科的复杂交叉,其动力全耦合仿真面临巨大挑战。针对漂浮式海上风电的风电机组、浮式基础、系泊系统、动态海缆、运输施工及一体化仿真等关键技术,对未来漂浮式海上风电发展趋势进行了展望,为推动深远海海上风电大规模商业应用,提出安全适用、竞争力强的工程解决方案奠定了基础。     

大尺度物体在层代海洋中的波浪绕射和散射理论(Ⅰ)系泊浮体在层化海洋中的运动方程

本文推导了层化海洋中的二阶浮体运动方程,并讨论了问题的物理特性。结果表明,层化可能对系泊浮体的水动力性能产生显著影响,并使波浪绕射和散射过程变得更为复杂。     

流体黏性对迎浪航行船舶运动和波浪增阻的影响

对在规则波中迎浪航行的大型油轮KVLCC2船模,为了研究流体黏性对船舶运动和水动力的影响,分别采用求解RANS方程和求解欧拉方程的方法,应用CFD软件STAR-CCM+对黏性流场和无黏流场进行了数值模拟。采用GCI方法对数值不确定度进行了分析,验证了数值方法的有效性;采用湍流模型和无黏流模型对船舶在一系列波长的波浪中的运动和水动力进行了数值预报,并将数值结果与现有实验数据进行了比较。结果表明,流体黏性对船舶运动影响很小,对共振状态附近的波浪增阻有一定的影响。总体上,对船舶迎浪航行流场的数值模拟,忽略黏性能保证一定的计算精度而提高计算效率。     

基于三种方法的螺旋桨敞水性能数值预报

该文基于三种不同的CFD方法:多重坐标参考系法(MRF)、任意网格界面元法(AMI)和重叠网格方法(Overset)对某一四叶螺旋桨的敞水性能进行数值模拟和预报,并对螺旋桨周围的流场进行了分析。其中,对于任意网格界面元法(AMI)与多重坐标参考系法(MRF),分别采用开源CFD计算软件Open FOAM所提供的求解器pimple Dy MFoam与MRFSimple Foam进行计算;对于重叠网格方法(Overset),采用基于Open FOAM平台开发的具有重叠网格模块的船舶与海洋工程水动力求解器—naoe-FOAM-SJTU进行求解。通过与试验结果的对比以及方法间的比较,验证了三种方法在螺旋桨敞水性能预报中的可靠性和有效性,并总结了各方法的特征与优劣。同时也对螺旋桨附近的流场特征进行了讨论与分析。