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《海洋工程》2022年第6期中文摘要
日期:2022年11月29日 08:19:43点击数:字号:【

海域天然气水合物吸力筒式开采装置及方法

吴学震1,叶鸿宇1,李大勇2,蒋宇静3,4,王 渠1

(1. 福州大学 土木工程学院,福建 福州 350116;2. 中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院,山东 青岛266580;3. 日本长崎大学工学研究科,日本 长崎 852-8521; 4.山东科技大学 矿山灾害预防控制国家重点实验室(培育),山东 青岛 266590)

摘 要:天然气水合物具有很高的资源价值,众多国家正在开展相关研究与勘探,试采设备和技术取得了一定的发展,但离商业化开采还有很多关键技术问题需要解决。本文提出了一种新型海域天然气水合物开采装置——吸力筒式开采装置及方法,主要包括开采筒、沉贯水泵和气液举升系统等,其整体由钢结构组合而成,依靠吸力和重力作用进入储层,然后进行降压开采,待作业结束后可回收重复使用。参照我国南海神狐海域地质,从理论上分析了新装置两个不同形态的贯入原理,并通过CMG STARS模拟研究新型开采方法的产能提升情况,由于吸力筒式开采装置能实现更大降压幅度并且扩大水合物分解面积,故产气效率相对于传统方法提高约2.46~11.69倍。吸力筒式开采装置具有结构强度高、开采半径大和施工简便等特点,有望做到“提产降本”,为实现海域天然气水合物商业化开采提供一条新思路。

关键词:海域天然气水合物;吸力锚;吸力筒式开采装置;贯入原理;开采特性

分隔板对Spar平台涡激运动响应影响的分析研究

郭涵慧,赵伟文,万德成

(上海交通大学船海计算水动力学研究中心(CMHL) 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

摘 要:当流体流经单柱式结构物时,由于流体黏性和逆压梯度的存在,会产生非定常的升力、阻力和涡旋脱落,即涡激运动现象,本文对一座Truss Spar平台的硬舱部分附加长度为1.0D(D为硬舱直径)的刚性来流侧分隔板,基于开源平台OpenFOAM,采用基于剪切应力运输的延迟分离涡模拟(SST-DDES)方法,在不可压缩黏性流场中,对其进行三维数值模拟,以研究在不同流速下,来流侧分隔板对Spar平台涡激运动特性和运动响应的影响。结果表明:在较高流速下,横荡周期减小22.21%,横荡最大幅值减小81.3%。说明在较高流速下,附加分隔板有助于减少Spar平台的运动响应幅值。

关键词:Spar平台;延迟分离涡模拟;涡激运动;分隔板

新型铰接式重力锚的设计及其性能研究

闫宏生1,高率群1,孟祥伟2,李怀亮2,于文太2,刘建成1

(1. 天津大学 建筑工程学院,天津 300072;2. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

摘 要:重力锚锚固是一种常见的锚固形式。为了能够提供足够的水平承载力,传统型式的重力锚普遍比较笨重,在上拔回收时会产生较大的竖向吸附力,不利于重复利用。针对此问题,设计了一种新型铰接式重力锚,并阐述了其铺设与回收方案。其次采用有限元方法对其整体强度进行了校核,结果均符合规范。最后基于模型试验,对铰接式重力锚在黏土中的运动过程进行了研究,进而确定了其在黏土中的水平承载力和回收时的上拔力。结果表明:相较于传统重力锚,新型铰接式重力锚在确保水平承载性能的基础上,能够大幅减小上拔力,从而有效地降低铺设和回收作业的难度,且可适应多种海底土质,但该锚型仅适用于悬链线式系泊系统。本文的试验结果可为实际工程中铰接式重力锚的设计提供参考。

关键词:新型铰接式重力锚;模型试验;水平承载力;上拔力;有限元方法

基于泥沙流变特性的吸力式沉箱减阻技术

钟 丹1,张民曦1,俞梅欣2,3,李小军2,3,喻国良1

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240;2. 中船第九设计研究院工程有限公司,上海 200090;3. 上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心,上海 200090)

摘 要:针对吸力式沉箱在黏性底床中沉贯安装的减阻问题,基于黏性泥沙的流变特性,开展了一系列不同振动荷载作用下的室内沉贯模型试验,分析了振动荷载对吸力式沉箱沉贯过程的影响和沉贯减阻效果。试验结果表明:在压力沉贯阶段或吸力沉贯阶段施加高频振动荷载,均能促使吸力式沉箱侧壁周围的土体发生流化,有效降低沉箱的沉贯阻力;减阻效果与振动频率和沉箱的长径比有关,与振动频率成正比,与沉箱的长径比成反比;存在一个临界频率,当振动频率大于该频率后,沉贯阻力随频率的减小不明显;施加高频振动荷载有助于减小吸力沉贯阶段沉箱内的土塞高度,促进沉箱沉贯到位。研究成果可为黏性泥沙流变减阻技术在吸力式沉箱中的应用提供理论依据和技术参考。

关键词:黏性泥沙;泥沙流变;吸力式沉箱;沉贯减阻;土塞高度

基于双层Boussinesq方程的三维波浪数值模型及其验证

邹文峰1,王 平1,2,刘忠波3,房克照1,孙家文2,张宁川1

(1. 大连理工大学 海岸及近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2. 国家海洋环境监测中心国家环境保护海洋生态环境整治修复重点实验室,辽宁 大连 116023;3. 大连海事大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116026)

摘 要:Liu等[1] 给出的最高导数为2的双层Boussinesq水波方程具有较好的色散性和非线性,基于该方程建立了有限差分法的三维波浪数值模型。在矩形网格上对方程进行了空间离散,采用高阶导数近似方程中的时、空项,时间积分采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton的预报—校正格式。模拟了深水条件下的规则波传播过程,计算波面与解析结果吻合较好,反映出数值模型能很好地刻画波面过程及波面处的速度变化;在kh=2π条件下可较为准确获得沿水深分布的水平和垂向速度,这与理论分析结果一致。最后,利用数值模型计算了规则波在三维特征地形上的传播变形,数值结果和试验数据吻合较好;高阶非线性项会对波浪数值结果产生一定的影响,当波浪非线性增强,水深减少将产生更多的高次谐波。建立的双层Boussinesq模型对强非线性波浪的演化具有较好的模拟精度。

关键词:波浪;三维数值模型;有限差分法;非线性;双层Boussinesq方程

基于桁架模型和多孔介质模型的柔性网衣和周围流场单向耦合方法研究

徐子鸣1,林志良1,2,谢 彬1,2

(1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室,上海 200240; 2. 上海交通大学 船海工程数值试验中心,上海 200240)

摘 要:柔性网衣作为渔业养殖的重要组成部分,其水动力的计算分析对网箱的安全使用至关重要。基于桁架模型和多孔介质模型对柔性网衣和流场单向耦合计算的数值模拟方法进行了研究。通过code_aster软件基于桁架模型计算出网衣变形后节点坐标和网衣受力,然后将节点坐标导入OpenFOAM识别出网衣变形后的多孔介质区域,并基于多孔介质模型模拟水流作用下网衣周围的流场和计算网衣的受力。为了验证模型的正确性,将不同工况对圆形网衣的模拟计算结果与物理试验数据进行比较,包括code_aster中计算的网衣变形形状、OpenFOAM模拟的网衣周围流场以及在code_aster、OpenFOAM中计算的网衣受力。计算结果表明,圆形网衣在单纯来流下变形明显,与试验结果一致,证明了网衣变形和水动力单向耦合方法的准确性。

关键词:柔性网衣;桁架模型;多孔介质模型;单向耦合;流场

航道工程作用下福姜沙水道滩槽演变特性及对水沙过程响应的数值研究

孙孟喆1,胡 鹏1,2,李有为3,刘奇峰3, 曹志先4

(1. 浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021;2. 浙江大学 舟山海洋研究中心,浙江 舟山 316021; 3.长江航道规划设计研究院,湖北 武汉 430040;4. 武汉大学 水利水电学院,湖北 武汉 430072)

摘 要:福姜沙水道是长江南京以下12.5 m 深水航道重点治理河段。航道工程实施后,仍需进行疏浚维护保障航道畅通。为了探究航道工程作用下福姜沙水道的滩槽演变特征,并进一步研究其对水沙过程的响应关系,采用基于Hybrid LTS/GMaTS方法的平面二维水—沙—床耦合数学模型进行了数值模拟研究。Hybrid LTS/GMaTS方法在不损失模型计算精度的前提下大幅度提高了计算效率。研究结果表明:1)水动力作用是洲滩变形的主要动力,体现在洲滩整体冲淤和局部形态改变两方面;2)航道工程作用下,福中水道入口处水动力条件明显改善,各特征流量级下均呈现刷深趋势,航道中段呈现“洪冲枯淤”的冲淤

特征,主流被归顺在深槽内,且随着流量增长深槽向南摆动;3)边心滩演变和水动力作用共同影响福北水道航道冲淤变化,航道工程作用下靖江边滩、双涧沙沙舌、福北水道的滩槽演变关系和对径流特征响应过程发生根本性变化。对水道整体而言,航槽回淤现象得到显著改善,然而受到洲滩演变和局部水动力减弱的不利影响,福北水道入口处航道条件发生恶化。

关键词:福姜沙水道;深水航道;航道工程;径流特征;滩槽演变;耦合数学模型;局部时间步长

CFD数值分析三体船片体位置对阻力及兴波干扰影响

李 响,刘志强,万德成

(上海交通大学 船海计算水动力学研究中心(CMHL) 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

摘 要:三体船的水动力性能是目前水动力学研究的热门。对于中高速三体船来说,其静水阻力的很大一部分由兴波阻力构成,而对于兴波最大的影响因素就是片体位置的布局。以一艘圆舭型三体船为研究对象,运用黏流计算流体力学(CFD)方法模拟分析4种不同片体位置对三体船静水阻力和兴波干扰的影响。数值计算采用自主研发的黏流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU。数值预报得到三体船静水阻力结果与模型试验结果吻合较好,验证了当前CFD方法预报三体船阻力的可靠性。通过不同片体位置三体船阻力计算发现,方案4的船型方案阻力最优,且通过细节的主片体间兴波干扰流场的结果给出了不同片体布置方案对三体船阻力和兴波的影响。当前研究表明本文采用的研究方法可以为三体船水动力性能及片体位置影响提供有效的分析手段。

关键词:三体船;片体位置;静水阻力;CFD方法;兴波干扰

设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化

詹 可,蒋垣腾,赵 敏

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室,上海 200240)

摘 要:常规耐压结构拓扑优化设计研究主要集中于静水压条件下的设计相关载荷拓扑优化理论及方法。但是,在深海环境下,耐压结构可能面临内爆所产生的冲击载荷,其载荷呈现高频率的周期性变化。为研究载荷变化对耐压结构优化设计的影响,在BILE模型的基础上,结合修正的SIMP插值模型,开展不同频率、设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化理论及方法研究。设计相关动载荷的难点在于不仅载荷的作用位置和方向在优化过程中发生变化,且其大小也随优化过程进行而发生变化,这是与常规设计相关静载荷本质的不同。首先,通过经典的拱形结构优化算例验证BILE模型在动力学拓扑优化中的可行性,进而研究设计相关动载荷作用下的水下耐压结构的最佳拓扑形式。研究表明,在低频时,圆环型耐压结构无明显变化,但多球交接耐压结构在交接处会出现明显材料聚集;高频时,两者均发生明显变化,得到耐压结构新形式。关于设计相关动载荷作用下的水下耐压结构拓扑优化研究,将对新型水下耐压结构的探索具有一定的工程应用价值。

关键词:水下内爆;耐压结构;拓扑优化;设计相关动载荷;频率

基于流变仪测试海底浅表层软黏土不排水强度研究

缪栋杰1,2,宋丙辉2,宋玉鹏2,孙永福2,3,苏志明2,刘绍文1

(1. 南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023;2. 自然资源部第一海洋研究所,山东 青岛 266061;3. 国家深海基地管理中心,山东 青岛 266237)

摘 要:鉴于海底浅表层软黏土强度测试精细化程度不足的现状,引入流体测试中的流变仪,对青岛海域海底浅表层软黏土开展多组原状和重塑试样的不排水剪切强度试验,通过对比静力触探和微型十字板测试结果,验证了流变仪测试方法的有效性。基于流变仪试验结果,揭示了海底软黏土原状和重塑状态下不排水剪切破坏模式,探讨了海底软黏土不排水剪切强度和灵敏度随埋深及液性指数的发展演变趋势,评价了软黏土的结构性特征。最后,引入含水率与液限之比对海底浅表层软黏土重塑不排水剪切强度进行了归一化分析,为近海海洋开发活动提供技术支撑。

关键词:浅表层软黏土;流变仪;不排水剪切强度;静力触探;灵敏度

基于压磁效应的锈胀开裂混凝土梁疲劳性能试验研究

黄 爽1,2,张 军2,金伟良1,毛江鸿3,钟小平4

(1. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310012;2. 浙大宁波理工学院 土木建筑工程学院,浙江 宁波 315100;3. 四川大学 建筑与环境学院,四川 成都 610065;4. 扬州大学 建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225009)

摘 要:开展了5根锈胀开裂钢筋混凝土梁疲劳试验并实时记录了梁表面的钢筋压磁信号,研究锈胀开裂混凝土梁的疲劳特性和压磁信号演化规律。结果表明梁疲劳寿命随钢筋锈蚀率增大而急剧减小,梁破坏时混凝土剥落,纵筋发生疲劳断裂;磁信号时变曲线随疲劳进程不断演化,在临近疲劳破坏时曲线形态发生明显畸变,能够反映梁疲劳损伤信息;磁感应强度变化幅值的发展符合三阶段特性,在疲劳初期和破坏前增长明显;磁感应强度变化幅值对钢筋锈蚀敏感,随锈蚀率增加而增大,因此建立了疲劳作用不同阶段磁信号幅值和梁内钢筋锈蚀率的相关关系。

关键词:混凝土梁;锈胀开裂;疲劳;压磁效应;锈蚀率

基于模型试验的海洋核动力平台定位系统解脱作业关键指标分析

郭冲冲1,武文华1,2,3,程丛志1,吴国东4,曹光明4,吕柏呈5,罗起航1

(1. 大连理工大学工业装备与结构分析国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2. 大连理工大学宁波研究院,浙江宁波 315000;3. 大连理工大学深圳研究院,广东 深圳 518057;4. 武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉  430064;5. 中国海洋石油有限公司研究总院,北京  100010)

摘 要:海洋核动力平台定位系统采用软刚臂单点系泊方式,属于多铰连接的单点系泊装置。定位系统在长期海上运营过程中,会面临结构维护、改造、更换等作业,解脱作业的安全性是定位系统乃至核动力平台安全的重要组成。借鉴国内外海洋石油平台解脱作业的成功案例,首先给出了核动力平台定位系统解脱作业的流程,并结合解脱作业故障树的风险传递路径给出关键风险指标;然后基于相似理论搭建了定位系统1∶9缩尺比模型试验平台,真实模拟了定位系统全流程解脱作业,验证了定位系统解脱作业的可行性与有效性;基于实时测量数据分析提升缆绳在限位状态与解脱作业时的张力响应、法兰解脱时系泊腿下部万向节振动响应、系泊刚臂下放姿态等关键指标。研究结果表明物理试验模拟方法可以准确表征解脱作业过程的关键节点,并为量化作业指标、优化作业流程提供数据支持,同时相关试验分析方法可以为其他海洋装备的解脱、安装等提供参考。

关键词:海洋核动力平台;定位系统;解脱作业;作业指标;单点系泊;软刚臂

张力腿平台涡激运动模型试验与数值分析

呼文佳,王世圣,赵晶瑞

(中海油研究总院有限责任公司,北京 100028)

摘 要:为揭示张力腿平台涡激运动响应规律,采用数值模拟与模型试验相结合的方法研究了全水深系泊张力腿平台涡激运动响应。根据张力腿平台主尺度参数,按照几何相似制作了水池试验模型,在满足运动相似和动力相似的条件下开展了均匀流、剖面流模型试验,并将模型试验结果与数值模拟结果进行了对比,验证了数值模拟与模型试验结果的一致性。分析结果表明在均匀流作用下张力腿平台涡激运动的锁定区间在5.5 < Ur < 8.5,来流角对涡激运动影响较大。剖面流作用下平台涡激运动规律与均匀流作用基本一致,但剖面流造流引起的能量分散,使平台在XY平面的运动轨迹变得不规律,系泊系统提供的回复力对涡激运动幅值有抑制作用,来流角和流速对张力腿或立管模态影响明显。论文得到结论对于张力腿平台的工程设计有一定借鉴意义。

关键词:张力腿平台;张力腿;涡激运动;模型试验;数值模拟;均匀流;剖面流

浮体二阶运动下钢悬链式立管触地区动态响应分析

陈嘉明1,2,白兴兰1,2,杨风艳3

(1. 浙江海洋大学船舶与海运学院,浙江 舟山 316022;2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江 舟山 316022; 3. 海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266555)

摘 要:浮体运动是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)动态响应和疲劳损伤的关键因素,目前研究SCR问题时,为简化计算往往仅考虑平台一阶运动,忽略二阶运动影响。而实际上不同浮体结构的二阶运动响应特征明显,拟以SCR服役张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)为例,探讨浮体二阶运动对SCR触地区动态响应的影响。建立考虑海床刚度退化的管土作用模型以改进现有的CABLE3D RSI程序,通过编写程序接口,将有限元分析得到的平台实际运动响应导入,研究平台不同运动作用下SCR 触地区的位移、动力响应及疲劳分布情况。根据波流作用方向将TLP二阶慢漂运动分为近端和远端漂移两种工况,发现二阶运动下立管与海床的作用范围会增大,且触地区不仅发生高频小幅振荡运动,同时伴随低频大幅运动响应;平台远端漂移时,管内张力敏感程度高,而近端漂移时触地区的弯矩显著增大,都会不同程度提高触地区的疲劳损伤率。研究可为服役不同浮体的SCR响应预测与疲劳分析提供参考和借鉴。

关键词:钢悬链式立管;平台二阶运动;管土相互作用;触地区;动力响应

低温柔性管道关键结构层的多目标优化设计

英玺蓬1,曹慧鑫1,杨志勋2,杨 亮3,刘淼儿3,范嘉堃3,李方遒3,阎 军1

(1. 大连理工大学 工程力学系 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2. 哈尔滨工程大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;3. 中海石油气电集团技术研发中心,北京 100028)

摘 要:低温柔性管道是海上浮式液化天然气装置系统(FLNG)的核心输运装备。针对低温柔性管道多材料、多层复合的结构设计难点,将其按照不同功能解耦成内衬层、抗拉铠装层以及辅助层三个关键结构层。基于神经网络模型(RBF)、Kriging模型以及响应面模型(RSM)三种建模方法建立了上述三个结构层响应分析的代理模型,并通过模型准确度的比较,发现RBF的误差均最小。在优化设计中,基于遗传算法分别对低温柔性管道上述关键结构层进行多目标优化设计。在内衬层结构的优化中,以质量及弯曲刚度最小为优化目标;在抗拉铠装层结构的优化中,以质量最小及拉伸刚度最大为优化目标;在辅助层结构的优化中,以质量、弯曲刚度及传热速率最小为优化目标。研究工作为低温柔性管道的结构提供了关键设计参数及理性的设计方法。

关键词:低温柔性管道;关键结构层;数值模拟;遗传算法;代理模型;多目标优化设计;Pareto优化解集

基于半数值方法的限弯器剪弯刚度分析

丁乐声1,2,陈金龙2,3,陈 潇1,4,郭 豪2,张 聪2

(1. 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江),广东 湛江 524006;2. 大连理工大学宁波研究院,浙江 宁波 315700;3. 江苏亨通海洋光网系统有限公司,江苏 苏州 215000; 4. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院, 湖北 武汉 430000)

摘 要:柔性管缆限弯器存在接触非线性导致剪弯刚度分析困难。为此先基于悬臂梁方程建立剪弯刚度理论模型;然后构建考虑接触边界的锁合结构数值模型,得到其扭转刚度曲线;最后结合理论分析和数值计算求得考虑接触非线性的限弯器剪弯刚度曲线,并同传统的整体数值方法相比较,验证该半数值分析方法的有效性。对比发现基于半数值方法的限弯器剪弯计算效率远高于传统数值方法,其结果误差也满足工程需求;并且限弯器锁合结构处受接触边界影响有明显的非线性;限弯器子梁这一短梁结构基于Timoshenko梁理论计算的结果精度更高也更保守。相较于传统数值方法,该半数值方法用方程直接表达部分参数与剪弯刚度关系,并可以高效地分析限弯器剪弯刚度,使设计工作更加高效。

关键词:柔性管缆;限弯器;接触非线性;Timoshenko梁理论;Euler-Bernoulli梁理论;半数值方法

水下节流阀砂粒冲蚀数值模拟研究

张 哲1,安 晨1,魏代锋1,王振刚2

(1. 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院,北京 102249;2. 南通中远海运船务工程有限公司,江苏 南通 226006)

摘 要:在海洋油气开发中,水下节流阀作为水下生产系统的重要组成部分,用于调节生产单元的流量和速度,控制油气井的投产和关闭,冲蚀是其主要失效因素之一,因此研究水下节流阀冲蚀失效的影响机理尤为重要。以某笼套式角型水下节流阀为研究对象,建立了水下节流阀的三维流体域模型,采用ANSYS Fluent的标准k-ε 湍流模型、DPM离散相模型和Generic冲蚀模型进行了不同开度下的流场数值模拟计算和冲蚀分析,研究了流场环境参数对冲蚀的影响。对水下节流阀流场数值模拟结果进行分析,得到了水下节流阀流场内流速、压力的分布规律。对不同开度下水下节流阀的冲蚀数值模拟结果进行分析,发现节流孔处是冲蚀最为严重区域,得到了冲蚀率随开度的变化曲线。对不同流场环境参数下水下节流阀的冲蚀数值模拟结果进行分析,得到了最大冲蚀率和最大冲蚀深度随流场环境参数的变化规律。根据数值模拟的分析及结论可以对水下节流阀结构进行改进,并在油气生产中对流场环境参数进行控制,提高海洋油气开发的经济效益。

关键词:水下节流阀;冲蚀率;湍流模型;离散相模型;流场参数;数值模拟

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