激光雷迪尔级帆船水动力特性试验与数值计算研究

采用试验观测和数值计算的方法研究了六自由度激光雷迪尔级帆船的水动力特性.设计了一套帆船六元力试验测量方法,通过拖曳水池试验获得帆船的水动力特性.采用雷诺时均计算方法和重叠网格技术,通过对试验和仿真的六元力结果进行对比,验证了数值计算方法的准确性.对不同航行姿态下的帆船水动力性能进行了模拟,分析了船体航速、迎角、侧倾角、漂角四个因素对帆船六元水动力的影响规律.研究结果表明:对纵向力影响权重较高的因子是航速和迎角,纵向力与航速呈非线性关系;对横向力影响较大的因子是漂角且两者呈线性关系;侧倾力矩主要受侧倾角和漂角的影响,随侧倾角的增加先减小后增大,在侧倾角为15°附近出现拐点;俯仰力矩受航速和迎角影响较大,随迎角的增大呈线性增大关系;转首力矩对漂角变化响应最大,随漂角增大线性增大.文中获得的六元水动力特性和数据可为提高帆船的操纵性提供重要数据支撑.

风对波状涌潮海塘越浪水动力特性影响的数值研究

文章基于二维不可压缩两相流数值模型,首先通过对比数值计算结果与试验数据,验证了该两相流涌潮计算模型模拟波状涌潮与海塘相互作用的可靠性;然后通过设置合理的计算工况,系统分析了风速、涌潮高度、潮前水深和斜坡坡度对波状涌潮在海塘上的越浪水动力特性的影响。计算结果表明:向岸风速会显著影响波状涌潮的海塘越浪量,风速越大,涌潮的越浪量越大,且挡浪墙所受荷载也越大;随着涌潮高度和潮前水深的增大,涌潮越浪量和挡浪墙所受涌潮荷载也随之增大;当增大海塘斜坡坡度时,涌潮越浪量和挡浪墙所受涌潮荷载均呈现先增大后减小的趋势。

风浪流耦合作用下锚泊式海上试验平台的水动力特性试验

为了研究国家海洋试验场的“国海试1”平台与锚泊优化方案是否满足设计要求,采用物理模型试验方法,制作1∶30试验平台模型,在国家海洋技术中心海洋动力环境实验室开展百余组不同波高、波周期、波向的不规则波、定常风和等效均匀流联合作用下,两点式躺地链系泊状态下的模型运动响应研究。对比分析试验结果与对应试验平台的设计指标,结果表明:同样海况下,风浪与潮流同向时,试验平台的运动响应更剧烈;流速1.14 m/s、4级海况时,试验平台最大横摇角为10.41°,“国海试1”平台无法开展正常的吊装工作;流速1.14m/s、6级海况时,试验平台最大横摇角为15.07°,“国海试1”平台搭载的试验测试设备无法正常工作;流速1.14 m/s、8级海况时,试验平台最大横摇角为20.21°,平台存在安全隐患,应采取避险措施;“国海试1”满足抗7级风浪的设计要求。该研究成果验证了改进后的国家海洋综合试验场“国海试1”平台满足抗7级海况的设计要求。因此,建议“国海试1”平台在6级海况下应停止试验作业,8级海况下应采取必要的避险措施。该研究为同类新型海洋平台水动力研究提供了参考。

高桩码头群桩绕流水动力特性数值分析

为探究高桩码头桩基础形式下的群桩水动力特征,基于Flow-3D软件对来流速度为0.25~1.50 m/s的3×3群桩阵列绕流的湍流流场进行三维数值模拟。研究结果表明:桩柱的两侧均形成高速区,随着来流速度的增加,高速区范围显示出逐渐扩大的趋势。上游桩后方的回流区范围较大,而中游桩和下游桩的回流区大小基本相同,均小于上游桩的回流区。随着来流速度的增加,剪切力和流体力逐渐增大,并随来流速度呈非线性增长趋势,且上游桩受力最大,下游桩次之,中游桩受力最小。随着来流速度的增加,群桩尾涡核心区的涡量随之增大,中游桩和下游桩后方的尾涡强度明显比上游桩的弱,中游桩和下游桩的尾迹涡长度保持稳定。随着来流速度的增加,漩涡强度显著提高,前桩与后桩之间的漩涡相互纠缠。研究成果对于理解群桩绕流的水动力特性具有重要意义,可为工程设计和实际应用提供参考。

浪流联合作用下箱型主梁水动力特性分析

为分析不同工况下箱型主梁水动力特性的变化规律,采用孤立波与海流联合模式模拟计算了极端海况。以某沿海近岸大桥为模型,利用Fluent仿真软件,结合SST k-ω湍流模型和VOF方法,对波流与桥梁结构在各种工况下的相互作用进行了数值模拟计算。通过绘制受力时程图、气液分布图、水质点速度云图等,对箱梁水动力特性进行了分析。结果表明:随着正向相对流速的增大,箱梁所受水平波浪力峰值逐渐增大,而竖直力峰值逐渐减小,且峰值对应的时间提前;同时,随着波高的增加,箱梁在水平方向和竖直方向所受波浪力峰值呈增大的趋势,并且波浪冲击下,箱梁截面迎波面一侧的水位差增大,导致箱梁迎波面所受竖直方向的抨击力显著增强。

超临界循环流化床锅炉水冷壁吸热偏差计算及深度调峰水动力特性

超临界循环流化床锅炉在深度调峰过程中受热负荷及质量流速变化的影响容易出现管壁拉裂、超温爆管等安全问题,故有必要对锅炉深度调峰负荷时热偏差系数、水动力特性进行计算研究。该文根据超临界循环流化床锅炉水冷壁及水冷屏结构,建立水动力计算数学模型并运用实炉测量数据计算实炉热偏差系数,对310及110MW负荷实炉热偏差系数进行计算,并采用110MW负荷实炉热偏差系数对120及70MW(深度调峰负荷)的水动力进行计算,将120MW负荷时的出口汽温计算结果与实炉测量数据进行对比验证,对70MW深度调峰负荷水动力计算结果进行分析。结果表明:循环流化床锅炉高低负荷时热偏差系数分布规律不同,在相近负荷时炉膛热偏差系数呈现出一致性,并且锅炉在70MW深度调峰负荷时,锅炉能安全稳定运行。深度调峰负荷时循环流化床锅炉吸热偏差系数及水动力特性的计算研究,为现有火电机组进行灵活性深度调峰优化改造提供一定的理论基础。

配重系统对HDPE圆形重力式网箱水动力特性影响研究

重力式网箱在强水流作用下的容积保持率关系到养殖鱼类健康生长,而网箱不同配重系统与其容积保持率、网箱阻力息息相关。为探究不同配重系统对网箱水动力特性的影响,本研究采用田内准则,通过模型试验研究了周长40 m的HDPE圆形重力式网箱在4种不同配重系统下其容积保持率、网箱阻力与流速之间的关系。结果显示:随着流速和配重量的增加,4种配重类型下网箱箱体的阻力均逐渐增大,并且阻力与流速之间呈现幂函数关系;与采用沉子配重的箱体相比,采用铁链配重的网箱在配重总量逐渐增加时,其阻力变化不大;当流速超过28.3 cm/s时,“底框+撑网圈+沉子”这种配重组合方式能够实现网箱容积保持率的最大化,在最大试验流速为70.7 cm/s以及3种不同配重重量条件下,分别能够保持有效容积的65.96%、69.10%和71.72%,此外,采用上述配重系统的网箱在特定流速和配重量下,其单位体积阻力最小,表现出最佳性能;经无量纲化处理发现箱体阻力与有效容积之间呈现出显著的负相关性。研究结果为HDPE重力式网箱的配重系统设计和应用提供了有益的参考依据。

海洋养殖柔性网衣结构水动力特性研究进展

发展深水网箱养殖是保障我国粮食及食品安全的长远战略,也是缓解近海网箱养殖环境胁迫力、拓展食物生产空间的必然选择。发展深水网箱养殖首先需要面对的突出挑战是养殖设施在外海恶劣海况下的安全性问题。网衣是深水网箱的主体结构,由于其自身具有高柔性、小尺度的特点,在波浪和水流作用下易出现大位移和大变形的极端响应。当前,网衣结构分析技术已成为我国深水网箱养殖工程技术的薄弱环节,一定程度上制约当前海上养殖网箱向大型化和深水化发展。因此,网衣水动力特性研究对于深远海网箱养殖的发展具有重要意义。本研究系统介绍了计算网衣水动力荷载的主要方法及其适用范围。同时,对网衣动态响应数值计算中的主流建模技术进行了总结和分析。最后,根据目前网衣水动力特性研究中存在的热点问题,提出了网衣流固耦合分析、生物污损分析、数字孪生技术等前沿发展方向,为网衣水动力学分析向数字化、精准化发展提供参考。

卷积神经网络方法在岛礁类海啸波水动力特性演变的应用

海啸是严重的海洋灾害,准确的海啸预测对于海洋工程和人民生命财产安全具有重要意义。本文以一维卷积神经网络(1-dimensional convolutional neural network,CONV1D)为基础,构建岛礁地形的类海啸波水动力特性演变模型。通过输入类海啸波波高时程曲线的观测值,得到岛礁指定地点的水位淹没时程曲线,实现时间序列到时间序列的预测,进行海洋灾害的实时预报,提前布置防御措施以达到减小损失的目的。结果显示,预测一组样本所需时间少于一秒,相对于传统的地震海啸预警系统,深度学习方法所需计算资源较少,计算速度更快。对类海啸波到达时间预测的平均相对误差为0.71%,最大水位高度预测的平均相对误差为6.99%, CONV1D得到的岛礁地形类海啸波水动力特性与数值结果吻合较好。

垂荡板对海上半潜浮式平台水动力特性的影响研究

随着海上风电向深远海发展,漂浮式风电机组凭借明显的成本优势得到广泛的重视。浮式平台是漂浮式风电机组的主要支撑部件。在波浪的作用下,浮式平台通常会产生大幅度的运动响应,严重影响风电机组的气动性能。加装垂荡板是常用的浮式平台控制方法,可以有效减少漂浮式风电机组的大幅运动。本文以自主设计的柱稳式半潜平台为研究对象,使用基于边界元(BEM)法的势流理论研究了垂荡板对半潜平台的水动力特性的影响。研究表明:垂荡板主要对垂荡和纵摇的附加质量影响最大。经过对垂荡和纵摇附加质量的归一化分析,表现出与频率的关联性下降的特性,可以使用归一化结果的均值来表征不同垂荡板半径对应的附加质量,这一结果可以为附加垂荡板的半潜平台的附加质量进行初步评估。

静音水下航行器的水动力特性数值研究

为了克服传统螺旋桨推进航行器推进效率低、灵活性差和噪声大的缺点,针对一种仿生柔性体推进的水下航行器的水动力特性进行数值研究,分析柔性体波动的振幅和波数对水动力特性的影响、仿生表面对水动力性能的影响以及整体设计对水动力特性的影响。数值结果表明,增大振幅将显著地增大静水推力,同时增加推进阻力;增加波数则显著地增加推进阻力,并减小静水推力。此外,使用仿生表面和现有的前尖端设计,可以减小推进阻力。研究结果有利于进一步优化航行器,提高航行器推进效率。

水螅类污损生物附着网片水动力特性实验

污损生物的大量附着会堵塞网箱网目、降低网箱内水流交换、增大网箱结构荷载和变形,从而导致在恶劣海况下网箱损坏风险加大,可能造成重大经济损失。为了研究污损生物附着对网箱网衣水动力特性的影响,本研究通过在海上网箱养殖区进行现场挂网实验,获得不同生物附着程度的网片(S_(n)=0.213~0.442),分析污损生物组成结构,并利用水槽实验探究不同水流速度(u=0.2~0.5 m/s)及不同冲角(θ=0°~90°)条件下水螅类污损生物附着网片的水动力特性。结果显示,水螅类生物附着程度随网片浸没时间先增后减,附着程度最大出现在第4周水深4.5 m处,网片湿重与附着程度正相关;水螅类污损生物的附着显著改变了网片水动力特性,附着程度最严重的网片(S_(n)=0.442)阻力与干净网片(S_(n)=0.146)的最大阻力相比增大至6.09倍,最大升力增大至5.99倍;水螅类生物附着的网片在不同冲角下对水动力系数的影响存在明显差异,阻力系数相对于干净网片可增大2.1倍,升力系数也相应地增大2.0倍;冲角为90°时,水螅类生物附着网片的阻力系数与密实度的拟合关系式为C_(d)=0.42+8.98S_(n)-7.78S_(n)2(R^(2)=0.803,S_(n)=0.145~0.442)。研究表明,水螅类污损生物的附着将明显增大网箱网衣的水动力荷载并将加剧网衣受力不均,导致迎流面网衣面临更高的损坏风险,在网箱设计和安全评估过程中必须综合考虑网衣升阻力变化对网箱结构安全性的影响,同时在网箱养殖生产过程中应及时清除网衣污损生物以确保结构安全。本研究可为网箱的设计和优化以及网衣清洗提供参考,有助于提升网衣系统的耐用性。

海上风机导管架与网箱组合结构水动力特性试验研究

[目的]旨在研究一种将海上风电导管架与养殖网箱结合的新型组合结构的水动力特性。[方法]通过物理模型试验,分析导管架与网箱组合结构的桩基水平荷载、网衣与导管架的连接张力,并考虑不同的水深、波高、周期、波向、流速和流向等参数对该结构带来的影响。[结果]试验结果表明,在0°规则波条件下,桩基最大水平荷载为30.2 N;在45°规则波条件下,桩基最大水平荷载为27.5 N;在正向波浪条件下(入射角为0°),桩基水平荷载比斜向波浪条件下(入射角为45°)的大9.5%。[结论]研究表明,在规则波条件下周期较小时网箱对导管架桩基水平荷载影响较小,在纯流条件下网箱显著增加了导管架的桩基水平荷载。

基于数值模拟的混凝土联排水动力特性研究

海上风电桩基础冲刷坑的存在对风电场安全运行造成不利影响,须采用有效的冲刷防护措施稳固桩周泥沙。该文以山东海域某海上风电场为研究对象,提出混凝土联锁排防护措施,并将其简化为六列矩形块阵列模型,通过数值模拟分析了矩形块阵列模型的水动力特性。研究发现,第1排矩形块为整个矩形阵列模型的主要受力块,混凝土联锁排整体阻力可通过单独计算第1排单个矩形块来评估,能显著减少计算量;其次,矩形块阻力系数随时间变化具有周期性,但随时间变化幅度较小。总体而言,本文结果对指导混凝土连锁排防护设计具有一定的工程意义。

方形圆弧角养殖池径深比对水动力特性的影响

为研究方形圆弧角养殖池径深比对养殖池内流场的影响,本文建立以实际工厂化循环水养殖池尺寸按比例缩小的单通道排污结构养殖池物理模型实验系统,采用声学多普勒流速仪开展了进水管布设位置、水体日循环次数、入射角度等参数工况下不同径深比(即养殖池边长与水深之比)的流场监测,系统分析了径深比(2∶1~7∶1)对养殖池内流场特性的影响规律。研究表明:径深比参数明显影响养殖池内的水动力特性,随着径深比增大养殖池水体平均流速呈下降趋势,且在径深比为2∶1~4∶1时下降较快;当径深比为3∶1~6∶1时,养殖池具有较好的水动力特性,此径深比范围低流速区比例较低、水体较均匀,有利于养殖池空间高效利用和营养物质均匀分布。

聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟

海水养殖网箱网衣的完整性对于维护养殖效率和生态平衡至关重要。破损的网衣不仅会降低性能,还可能引起养殖生物逃逸,导致经济和生态的双重损失。为评估网衣破损对水动力特性及流场的影响,并探索损伤的初步定位和严重性评估方法,以指导网箱维护策略优化,建立了基于ANSYS Workbench的单向流固耦合数值模型,流体域中模拟网衣周围的流场,同时将网衣表面所受压力等数据传递到固体域,计算网衣在流体载荷作用下的变形和应力分布,获得了不同破损程度网衣在0.1~1 m/s流速下的流场特性及动力响应。结果显示:网衣阻力与流速呈二次方增长关系,破损程度的增加导致阻力下降,尤其在破损较大时阻力减小显著。流速衰减率在不同破损程度下相对稳定,表明网衣破损对整体流速衰减率的影响有限。在0.5 m/s流速条件下,破损网衣对前方流速衰减区影响有限,但破损使得网线间流速加快现象更明显,对后方流速衰减区造成显著干扰。网衣整体的最大变形与最大应力并未因破损程度的增加而显著变化,但破损区域附近的应力有明显增大。该研究不仅增进了对网衣水动力特性的理解,而且为海水养殖网箱的设计、性能评估和风险管理提供了重要的技术支撑。

滩槽交界带不同植被布置方式对水动力特性影响的数值研究

为研究滩槽交界带不同植被布置方式对水动力特性的影响,基于Delft3D-FM构建了考虑二次流影响的二维水动力模型,分析了植被平行布置、交错布置、无植被工况下河道断面速度分布、二次流强度和河底剪切应力。结果表明,与无植被工况相比,植被增加了滩槽间动量交换,布置有植被的河道主槽流速增大,植被区流速减小,植被的存在减小了植被区的二次流强度,增大了主槽的二次流强度和滩槽交界带剪切应力;交错布置植被会明显增大主槽二次流强度。

卷破波冲击新型桩板桥梁结构水动力特性试验研究

依托福建省滨海国道涉海浅滩段新型桩板桥梁结构工程,通过波浪水槽开展卷破波冲击桩板桥梁结构水动力特性试验,研究了三个阶段卷破波冲击作用下波浪爬高和桩板桥梁结构所受波浪力水动力特征,并与规则波冲击作用试验结果进行对比,分析了入射波高、波浪周期、水深对波浪爬高和波浪力的影响规律。结果表明:三个阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构的水动力特性显著不同,破碎前阶段和破碎中阶段卷破波会出现明显的波浪爬高现象,破碎前阶段卷破波爬高后的波面高程可达规则波的1.99倍;破碎前阶段的水平波浪力最强,是同阶段竖向波浪力幅值的4.48倍,可达规则波水平波浪力的3.08倍。波浪特征参数和水深对三个阶段卷破波冲击水动力特性影响显著,入射波高和水深的增加会使破碎中阶段卷破波的波面高程和竖向波浪力超过其他阶段;波浪周期的增加会使破碎后阶段卷破波冲击前波面高程和破碎前阶段的竖向波浪力超过破碎中阶段卷破波。

张紧式锚泊单浮箱水动力特性试验研究

为研究张紧式浮式防波堤的水动力性能,采用二维物理模型试验方法,研究系泊缆锚泊倾角、系泊缆预张力以及浮箱相对宽度等因素,在规则波作用下对迎浪面动水压力、系泊缆拉力以及透射系数等水动力特征的影响规律。结果表明:随着锚泊倾角增加,迎浪面动水压力呈先增加后减小的趋势,系泊缆拉力呈先增加后轻微减小的趋势,透射系数则呈明显的减小趋势;随着系泊缆预张力增加,迎浪面动水压力、系泊缆拉力呈增加趋势,透射系数呈先减小后增加趋势;随着浮箱相对宽度增加,迎浪面动水压力、系泊缆拉力和透射系数均呈减小趋势。该结果可为张紧式锚泊单浮箱浮式防波堤的设计和安全性评估提供参考。

湾外底层延绳式养鲍系统水动力特性

湾外底层延绳式养鲍系统是一种新型养殖设施,利用波浪在水下的衰减效应,实现较好的抗风浪性能,为了确保养鲍系统的存活率和结构安全性,研究延绳式养鲍系统的动力特性具有重要意义。基于相似准则,在波流水槽实验室开展了模型试验;基于集中质量模型,建立了底层延绳式养鲍系统动力响应数值模拟方法,验证了数值模拟方法的准确性;针对福建省罗源湾外实际海况,在不同的波浪及海流作用下,对底层延绳式养鲍系统的动力特性进行数值模拟,分析了波高、流速及流向对养鲍系统受力情况及运动轨迹的影响。结果显示:梗绳和锚绳的受力分布存在明显差异,最大受力段不在锚绳上,而是位于梗绳中部区域;波高与系统最大受力和鲍鱼笼的运动幅值近似呈线性关系;当流速增大时,迎流侧锚绳的张力出现非线性陡增,背流侧锚绳的张力明显减小;当流向角度增大时,系统前部梗绳的张力减小,支绳张力基本保持相对稳定。该研究结果可为类似底层延绳式养鲍系统的结构设计提供参考。