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《海洋工程》2022年第5期中文摘要
日期:2022年09月29日 16:05:48点击数:字号:【

近壁面柔性圆柱流致振动—拍击耦合特性试验研究

朱红钧,赵宏磊,谢宜蒲,张 旭

(西南石油大学 石油与天然气工程学院,四川 成都 610500)

摘 要:大跨度柔性悬跨海管的振动响应及管床碰撞会加剧管道的疲劳损伤,影响管道油气的安全输运。基于高速摄像非介入测试方法捕捉了近底床柔性悬跨海管的振动响应特征及管床拍击过程,对比分析了间隙比G/D及约化速度Ur 对振动—拍击耦合响应的影响,辨识并提出了试验观测的管床拍击模式。研究结果表明:悬跨管的均方根振幅Az,rms/D在前二阶主导模态下随约化速度Ur的升高先增大后减小;当间隙比减小时,共振区的振动频率减小,且一阶振动向二阶振动的过渡在更高的约化速度时发生,过渡时存在时间上的模态切换现象。振动平衡位置向远离壁面一侧偏移。根据悬跨管振动的主导模态与拍击特性,通过试验辨识了6种管—床拍击模式,包括一阶模态主导的小段拍击、大段拍击,一阶向二阶模态过渡时的Ⅰ、Ⅱ型拍击,以及二阶模态主导的单段拍击、双段交替拍击。

关键词:涡激振动;柔性悬跨海管;管床拍击;主振模态;拍击模式

 张力腿平台绕流数值模拟分析

杜尊峰,李晓琛,徐万海

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072)

摘 要:在一定来流条件下,张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)的立柱后缘出现周期性的交替旋涡脱落,致使立柱受到垂直于来流方向的升力和平行于来流方向的阻力作用,导致TLP 产生大幅度往复运动,显著增加平台结构和系泊系统的负载。目前,关于单柱、多柱结构绕流问题的研究较多,但对于TLP 绕流特性的研究较少,机理尚存不明确的地方。为研究TLP的绕流力变化情况和流场特征,开展了数值模拟分析。利用计算流体动力学数值模拟软件,基于雷诺平均(RANS)法和分离涡模拟(DES)法对TLP 绕流场进行仿真分析,揭示了TLP 的绕流特性。结果表明,在3种来流角度和多个折合速度下,TLP绕流的流体力系数存在明显差异,升力系数时域曲线呈现脉动性。TLP的上、下游立柱间存在明显的相互作用,影响了旋涡的形成与发展。TLP的旋涡脱落大多集中在平台固有频率附近,且在Vr = 7,来流角度为0°时,升力系数频谱峰值最大,旋涡脱落集中。

关键词:张力腿平台;绕流特性;旋涡脱落;RANS;DES

波浪载荷及气动力引起的半潜浮式风机疲劳损伤分析

冯士伦1, 2,杨 虎1, 2,唐友刚1, 2,李 焱1, 2

(1. 天津大学建筑工程学院,天津 300350;2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350)

摘 要:研究浅水半潜式大功率浮式风力机波浪载荷和气动力引起的基础结构疲劳损伤,揭示基础结构的疲劳损伤机理。采用谱疲劳损伤计算分析方法,以10 MW 风力机为例,计算波浪载荷引起的热点应力及多种海况引起的疲劳损伤。采用叶素动量理论并基于所在海域的风速分布,计算叶轮转动引起的气动力及其引起的疲劳损伤。计算结果表明,对于半潜式三立柱浮式风力机,波浪载荷引起的基础结构应力远大于气动力引起的基础结构应力,基础结构损伤主要是由波浪载荷引起,气动力引起的浮式基础结构的损伤为10-3量级,而波浪载荷引起的损伤为10-1量级。

关键词:疲劳损伤;叶素动量理论;S-N 曲线;浮式风机;气动力

防振锤对深水导管架圆管风致涡激振动抑制研究

罗 超1,张大伟1,陈佳佳1,胡文韬2,刘利琴2,吴志强2

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

摘 要:研究了阻尼防振锤对深水导管架圆管风致涡激振动的抑制。建立了防振锤动力学模型,分析了防振锤的动力学特性;将在建深水导管架圆管简化为固支梁,建立了结构有限元模型,通过瞬态分析计算了圆管的振动幅值;在圆管中部添加防振锤,分析了防振锤对圆管振动的抑制效果;进行了现场测试,对比了数值模拟和实际测试管道的振动响应。研究表明,文中设计的防振锤可以有效地抑制圆管的涡激共振;数值模拟结果与测试结果非常接近,验证了数值分析方法的有效性。

关键词:深水导管架;风致涡激振动;防振锤;振动抑制;有限元模型

多边形筒型基础海上建造过程中移位及起浮技术研究

练继建1, 2,刘畅博1, 2,郭耀华1, 2,董霄峰1, 2,刘维斌3,张 斌3

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072; 2.天津大学 建筑工程学院,天津 300072; 3. 南方海上风电联合开发有限公司,广东珠海 510000)

摘 要:以广东省某海域海上风电项目为背景,针对六边形钢混组合筒型基础海上建造过程中敞口筒裙无法自浮移位及基础整体起浮稳性不足的问题,提出了一种基于助浮浮箱提高基础移位及起浮稳性的技术,并分别基于SESAM 和ABAQUS软件进行了整体浮稳性分析与结构强度校核。计算结果表明:在浮箱助浮作用下,可将基础满足稳性要求的吃水深度从13 m 减小至8 m,极大地降低了对基础制造海域水深的要求;敞口筒裙—浮箱移位及筒型基础—浮箱起浮过程中,其整体垂荡与纵摇固有周期均随吃水深度的增加而增大,且两种结构分别在7 m 和8 m吃水深度下的运动响应最优;移位及起浮过程中,浮箱与基础结构的应力均满足结构强度要求。此项技术的研究及在广东省某海域的成功应用,为推动在更多的浅海区域预制大型筒型基础结构提供了可借鉴的技术。

关键词:海上风电;筒型基础;助浮浮箱;海上建造;运动特性;稳定性

海上环形观光平台内域水体共振响应研究

毛艳军1,丁 军2,马小舟1,董国海1

(1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2. 中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082)

摘 要:海洋空间资源开发中,海上观光旅游平台具有较广的应用前景。浮式观光平台可设计为圆环形结构,环形内部区域可以为游艇停泊和亲水场所提供掩护。此类结构与船舶月池结构类似,有内域半封闭水体,也存在水体共振问题。为分析此类结构水体共振响应,评估内域水体掩护条件,对以圆环形为基础增加弦与所截圆弧围成区域平台模型(观光平台)的内域水体共振模态进行模拟。观光平台共有6个特征模态,分布在0.2 ~ 0.6 rad/s之间。模态峰值主要分布在中轴线附近位置。平台圆弧和直边界组合导致共振模态分布包括圆形水体环向模态特征和矩形水体模态特征;不同弦心距对应不同内域水体尺寸。随着内域水体尺寸减小,模态响应频率向高频移动;通过增加环形宽度和设置主迎浪面在突出平台位置,可降低波浪透射,从而减弱内域水体共振响应幅值。工程设计中可调整上述参数降低内域水体共振幅值,达到较好的泊稳条件。

关键词:观光平台;内域;水体共振;模态分析;线性势流理论

黏土中桩靴底部吸附力产生机理研究

闫国斌,潘 池,李 飒,尹蒋松,李婷婷

(天津大学 建筑工程学院岩土所,天津 300350)

摘 要:在海洋工程中,移动钻井平台在作业结束后需要转场时,经常会遇到拔桩困难的问题,桩靴底部的吸附力是上拔力的重要组成部分,明确其产生机理及发展规律对于上拔力计算与缓解上拔困难问题有重要意义。通过室内模型试验研究了黏土中桩靴底部真空度对桩靴吸附力产生机理的影响,试验结果表明,桩靴底部真空度的变化对上拔力的影响显著,而桩靴贯入深度和上拔速率会对真空度产生影响。当真空度达到峰值时,桩靴底部吸附力与上拔力几乎同时达到峰值,因此可以通过减小桩靴底部真空度的措施来减小上拔力。根据试验结果, 提出了运用真空吸盘理论来计算桩靴底部吸附力的计算公式。所述吸附力计算方法与试验结果进行对比,其误差较小,对工程实践具有一定的参考意义。

关键词:桩靴;黏土;真空吸盘;真空度;吸附力

基于无网格MPS方法数值分析方舱破舱进水问题

卢泽宇,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:采用移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,简称MPS)对自由漂浮二维方舱的破舱瞬时进水过程进行数值模拟。首先,采用基于GPU平台自主开发的MPS软件模拟破舱进水问题,并与其它方法得到的数值模拟结果进行对比验证。然后,对该二维方舱的各种模型进行了数值模拟,其中开孔位于不同位置以表示舷侧不同高度下的损坏。此外,还研究了不同类型的挡板对破舱进水后方舱稳定性的影响。结果表明损坏的孔洞和内部挡板会影响损坏舱段的运动特性,开孔距静水面的距离越大引起舱段的横摇等运动幅度越大,垂直挡板比水平挡板对舱内洪水的影响更大。

关键词:进水;方舱破舱;MPS方法;内部挡板

单体喷水推进船舶动力定位控制方法研究

李刚强1, 2,谌栋梁3,葛 卓1, 2,周冠泽1, 2,熊 文1, 2

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011;2. 喷水推进技术重点实验室,上海  200011; 3. 上海振华重工(集团)股份有限公司,上海 200125)

摘 要:面向一型喷水推进器为动力定位执行机构的单体喷水推进船舶,开展了船舶仿真模型建立、推力分配及进一步动力定位相关控制算法设计与仿真模拟。针对传统的定步长Kalman滤波提出了改进方案,同时考虑到单体喷水推进船舶的特殊性,对推力分配算法进行了优化,并基于荷载前馈的PD控制算法开展了不同工况下的仿真试验。试验结果表明,所提出的喷水推进推力分配算法能够有效控制一型单体喷水推进船舶实现定点、定艏向、移位、转艏等动力定位典型功能,并具备一定抗外部干扰能力。

关键词:喷水推进;动力定位;推力分配;荷载前馈;Kalman滤波

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

吴剑国1,邵智华1,申屠晨楠1,王锦琪1,叶 帆2,傅何琪2,王福花2

(1. 浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;2. 中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

摘 要:为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明:改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。

关键词:船体梁;扶强材;极限强度;循环载荷;损伤

聚焦波作用下平面网衣结构的水动力特性研究

俞嘉臻1, 2,张显涛1, 2,李 欣1, 2

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240; 2. 上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院,海南 三亚 572000)

摘 要:由于沿海区域的限制以及愈加严重的环境污染,渔业养殖正从近海走向深远海。深远海海域的海况更加恶劣,给养殖装备的设计与性能评估带来新的挑战。为解决该问题,对极端波浪与养殖装备网衣结构的相互作用开展研究。基于wave2Foam建立数值波浪水池,极端波浪模拟采用基于NewWave理论的聚焦波模型,网衣结构模拟采用多孔介质模型,并通过与Morison模型计算的网衣受力等效分析,获得多孔介质模拟网衣结构阻力系数的直接估计方法。然后将多孔介质模型嵌入wave2Foam中,开展聚焦波与网衣结构相互作用的数值模拟,同时开展水槽试验,验证数值模拟的准确性。基于数值模拟结果,系统地分析了不同网衣密实度及不同波浪参数下网衣结构的升阻力特性以及网衣结构对波浪场的扰动规律。研究表明:聚焦波波峰幅值和网衣密实度对网衣结构的升阻力影响较大,且升力峰值出现在阻力为0的时刻;网衣结构对聚焦的时空演化特性有影响,改变了聚焦波波形。

关键词:网箱养殖结构;平面网衣;多孔介质模型;聚焦波;CFD;水动力特性

中性网格对圆桩局部冲刷的水动力弱化及防护效果分析

赵寒燕1,乐绍林2,周 欢2,张民曦1,喻国良1

( 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. 武汉二航路桥特种工程有限责任公司,湖北 武汉 430071)

摘 要:针对水下桩墩的局部冲刷问题,提出一种适用范围广、防冲促於效果显著的防护措施。该防护措施把一种相对密度略大于水、几何特征特殊的中性网格结构完全覆盖在冲刷坑或可能出现冲刷坑的床面上,以减弱冲刷坑内水动力,促进泥沙落淤,达到减轻局部冲刷的目的。通过数值模拟和水槽试验探讨了中性网格结构对圆桩周围冲刷坑内水动力及床面形态的影响,并研究了网孔尺寸对防冲促於效果的影响规律。结果表明:该中性网格结构能显著减小局部冲刷坑内的流速,有效抑制局部冲刷,且对桩前来流来沙的影响微弱。孔径比7.7的网格防护结构可以使无黏性沙床上圆桩的局部冲刷深度减少92%,已存在的冲刷坑则可被修复73%。这些研究成果为桩墩局部冲刷防护提供一种新的思路。

关键词:水下桩墩;局部冲刷;中性网格;防护措施;网孔尺寸;冲刷深度

深海多金属结核生长模拟及宏观形貌研究

王华昆1,高 婧1,蔡毅华2,余 杨3,孙震洲4,李修波5

(1. 福建省滨海土木工程数字仿真重点实验室(厦门大学),福建 厦门 361005; 2. 近海海洋环境科学国家重点实验室(厦门大学),福建 厦门 361005; 3. 水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学),天津 300072;4. 华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311122; 5. 中车SMD(上海) 有限公司,上海 201360)

摘 要:研究旨在提出深海多金属结核生长的数值模拟方法,以获取典型的结核宏观形貌,为后续结核输运过程的冲击碎裂仿真提供几何模型。根据已有的深海多金属结核采样研究结果,假定矿物沉积速率满足正态分布。将多阶段时变随机沉积模型嵌入ABAQUS UMESHMOTION子程序中,通过控制网格节点移动实现了结核多阶段随机生长模拟,给出了结核不同生长阶段的外形及截面特性模拟结果。分析了鱼骨、鲨鱼牙齿、板岩、鹅卵石等典型不同核心物质及矿物沉积速率变异性对结核生长过程的影响,确定了核心物质在海床淤泥中埋置深度对结核生长形态的影响。研究表明:基于网格节点移动的结核生长模拟技术可有效处理结核几何拓扑变化较小的生长过程,核心物质的初始形状及其在海床上的埋置深度是影响结核形貌的主要原因,而矿物沉积速率的变异性则主要影响结核表面的光滑度。

关键词:深海矿物;多金属结核;沉积速率;埋置深度;结核生长;结核形貌

基于康达效应的海底集矿装置流场与集矿特性试验研究

胡经朝1, 2,赵国成1, 2,肖龙飞1, 2

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240;2. 上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院,海南三亚 572024)

摘 要:海底集矿作为深海矿产资源开发的核心技术之一,直接影响到矿石采集效率和海底沉积物受扰动程度。基于康达效应的水力集矿装置因具有结构简单、可靠性高及对海床扰动小等优点,受到广泛关注。针对基于康达效应的水力集矿头模型进行3种类型的试验研究:1)利用粒子图像测速(PIV)技术测得集矿流场速度分布,试验发现流体质点在靠近凸曲面壁处流速和沿法线速度梯度较大,而远离凸曲面壁处则相反;2)通过高速摄像和图像处理获得球形矿粒运动轨迹和速度,试验发现了不同射流流速下5 种典型矿粒运动形态;3) 分析了射流流量对矿粒采集率的影响,试验得到了颗粒采集率关于射流流量的变化曲线,并根据变化特征划分为增长区、缓变区和跃升区。研究可为新式集矿装置的优化设计与性能分析提供参考。

关键词:深海水力集矿;康达效应;球形颗粒;采集率;射流流量

跨海地铁盾构管片混凝土耐久性及寿命预测分析

王金龙1,刘伟宝2,杨 虎2,陆采荣2

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063;2. yh86银河国际官网 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

摘 要:根据某跨海地铁2号线的工况,确定跨海区间盾构管片的环境类别和作用等级,由各原材料氯离子含量计算推荐配合比混凝土氯离子含量,并对推荐配合比混凝土开展氯离子扩散系数试验和抗压强度试验。分别使用《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS 257-2—2012)、《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220:2007)中的评定方法及多因素耦合评价(MFC)方法,基于钢筋开始锈蚀阶段ti、混凝土保护层锈胀开裂阶段tc、混凝土功能明显退化阶段td 对混凝土结构使用年限te 进行预测。结果表明,以上3种耐久性预测模型预测跨海地铁2号线推荐配合比使用年限的计算结果均大于100年,能够满足使用100年的要求。

关键词:轨道交通;盾构管片;跨海区间;混凝土;寿命预测;耐久性;配合比;氯离子

北部湾地区不同相对密度的海砂力学特性分析

王家全,祝梦柯,唐 毅,黄世斌

(广西科技大学 土木建筑工程学院,广西 柳州 545006)

摘 要:为探究相对密度和有效围压对饱和海砂力学特性的影响,利用GDS动态三轴试验仪,对广西北部湾地区海砂开展了一系列固结排水三轴剪切试验,分析了相对密度、有效围压对饱和海砂强度特征、体变特征、割线模量以及摩擦角的影响规律。结果表明:随着围压的减小或相对密度的增大,试样体积应变不断增大,而相对密度或有效围压的增加均会提高试样的峰值强度,有效围压与峰值强度之间呈现良好的线性增长关系。随着围压的减小或相对密度的增大,应力相对软化系数、剪胀系数均不断增大,且有效围压与应力相对软化系数、剪胀系数分别呈线性和半对数线性相关。割线模量随轴向应变的增加整体呈衰减趋势,各试验工况下轴向应变为5%时试样的割线模量相比于轴向应变0.164%衰减了80%~90%。饱和海砂的峰值摩擦角随相对密度的增加而增大,随有效围压的增大而减小,相对密度Dr 为50%时有效围压σc为50 kPa对应的峰值摩擦角是σc 为200 kPa的1.098倍。

关键词:海砂;三轴剪切试验;相对密度;有效围压;北部湾;软化系数;强度特征;体变特征

钙质砂颗粒形状及破碎特性试验研究

王 瑞1,郭聚坤1, 2,尹 斌 2,雷胜友1,魏道凯2, 3

(1. 长安大学公路学院,陕西 西安 710064;2. 山东交通职业学院 公路与建筑系,山东潍坊 261206;3. 日喀则市交通运输局工程项目管理中心,西藏 日喀则 857021)

摘 要:单颗粒强度及形状是影响钙质砂强度、变形和破碎的重要因素。以0.5 ~ 1.0 mm 和1.0 ~ 2.0 mm粒径范围的钙质砂颗粒为研究对象,开展了颗粒形状及尺寸分类统计和单颗粒破碎试验,研究了力—位移关系、单颗粒强度—平均粒径关系和单颗粒破碎能量。结果表明:块状颗粒是钙质砂的主要形状颗粒,粒径较大颗粒的形状不规则程度较高。块状颗粒的破碎过程根据力—位移关系曲线中第一次颗粒破碎力、颗粒破碎峰值力和颗粒完全破碎力出现位置的不同分成5种情况,以颗粒发生多次破碎为特征的情况Ⅰ和情况Ⅱ出现次数最多,其余情况仅在0.5 ~ 1.0 mm粒径范围的颗粒中出现。单颗粒强度随平均粒径的增大而减小,1.0 ~ 2.0 mm和0.5 ~ 1.0 mm粒径范围的单颗粒强度分形维数分别为2.95和1.53,粒径较大的钙质砂颗粒更容易破碎。提出了钙质砂单颗粒破碎能量的简化计算公式,1.0 ~ 2.0 mm粒径范围的单颗粒破碎能量较0.5 ~ 1.0 mm的更大。

关键词:钙质砂;颗粒形状;破碎特性;单颗粒强度;分形维数;破碎能量;深海资源;南海

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