极地环境下圆管液滴撞击特性分析

覆冰是威胁极地环境下海洋工程装备上部设施安全运行的潜在危险,而液滴收集系数反映了结冰对象捕获过冷却液滴的有效程度,因而是覆冰生长预测的关键参数。本文采用欧拉法对颗粒两相圆柱绕流进行数值仿真,通过研究液滴的斯托克斯数(St)和液滴雷诺数(Rew)两个关键因素,对液滴运动轨迹的影响规律进行分析。研究发现,斯托克斯数对液滴运动轨迹影响明显,在St较大(St>1)时,收集系数完全取决于St,而Rew的影响较弱,随着Rew的增加,整体收集系数和局部收集系数缓慢减小;在St较小(0.26<St<1)时,随着Rew的增加,局部和整体收集系数显著减小;由于流体在圆柱下游形成漩涡,在St<0.26时具有更大的随流性,驱使液滴卷吸入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,使得局部和整体收集系数随Rew增加而变大。

叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

风能作为一种清洁能源具有较大发展潜力。然而,在寒冷潮湿环境下,风力机叶片容易出现覆冰现象,导致风机支撑结构的整体力学性能发生变化。重点关注风力机叶片覆冰后支撑结构的冰振特性,为优化风电系统设计和提高结构安全性提供参考。首先,采用FENSAP-ICE软件模拟叶片覆冰过程,以明确不同环境条件下风机叶片覆冰特性。其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。通过模拟研究,明确了不同环境条件下风机叶片覆冰的特性,并建立了支撑结构冰振响应分析方法。同时,选取单桩式海上风电基础结构,对不同风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行了详细分析。3种覆冰工况与未覆冰工况下的基频结果表明,1号叶片覆冰时支撑结构一阶频率下降了0.87%,2、3号叶片覆冰时支撑结构一阶频率下降了0.23%,三叶片同时覆冰时支撑结构一阶频率下降了0.48%。

极地海洋工程装备圆管结构的对流换热影响

电伴热是极地海洋工程装备防寒主要措施,而热平衡是对流换热的关键问题.以圆管构件为研究对象,采用有限元数值仿真软件Fluent数值仿真与模型实验相结合的方法,分析了圆管构件在风速为0~40 m/s、温度为-40~0℃的极地环境条件下对流换热系数变化情况;基于数值仿真数据建立了电加热圆管构件对流换热系数的预测模型.结果表明:增大风速和降低温度都会增加圆管构件的对流换热系数;温度低于-30℃或风速大于25 m/s且温度低于-20℃时,温度对圆管的对流换热系数影响增大;实测数据验证了该模型的合理性.

风力机叶片表面覆冰影响因素分析

我国低温高海拔地区的风能资源十分丰富,风力机在该环境下运行时会产生叶片表面覆冰现象,不仅降低风力机的发电效率,严重时会影响结构安全性能.采用Fluent与FENSAP-ICE相结合的方法对风力机叶片表面覆冰问题进行数值模拟分析,明确环境温度、来流速度、水滴等主要环境因素影响下叶片表面覆冰发展规律.结果表明,环境温度从-5℃降低到-20℃的过程中,覆冰质量随温度的降低呈线性增长,增长幅度约为0.74 kg/℃;当温度继续降低时,覆冰质量增长幅度降低为0.228 kg/℃.来流速度、空气中水含量(LWC)与水滴直径(MVD)的增加均使覆冰质量呈线性提高,覆冰质量增长幅度分别约为0.236 kg·s/m、8.529 kg·m3/g、0.512 kg/μm.降低环境温度、增大来流速度和LWC会增加叶片覆冰面积,但增大MVD会使覆冰面积减小.

风机叶片覆冰机理与预测分析

高原和寒冷地区风能资源十分丰富,风机在此地区运行时叶片表面极易出现覆冰现象。针对寒区风机叶片覆冰问题,本文首先明确覆冰机理以及主要的影响参数;基于数值模拟分析在冻雨条件下,环境因素和叶片几何参数对叶片覆冰的影响。结果表明,当温度不变,风速从2 m/s增加到4 m/s时,叶片表面的最大覆冰厚度增幅高达117%;当风速从4 m/s到10 m/s时,最大冰厚增幅逐渐减小到0.9%,覆冰质量随着风速的增加呈线性增长。当风速不变,温度从-1℃降到-2℃时,叶片表面的覆冰质量和最大冰厚分别增加71%和24%;当温度从-2℃到-5℃时,覆冰质量和最大冰厚增幅减小到1.7%和0.9%。当温度和风速在某一固定值时,覆冰质量和最大厚度随着叶片相对厚度和攻角的增加而增大。

半潜式海洋平台抗冰性能分析

全球范围内,北极海底油气资源十分丰富。随着钻探技术的进步,加上易开采油气资源变少,北极地区的油气开采已经是势在必行。半潜式海洋平台拥有较强的抵抗极端环境的能力,在冰区不同的冰况下亦可操作。由于冰与不同结构物作用的复杂性,长期以来尚未形成关于半潜式海洋平台在海冰作用下的设计准则。本文通过对典型半潜式平台与海冰相互作用机理与冰载荷模型分析,提出了该类结构在海冰作用下的主要失效模式及评价方法。最后,以我国首座北极海域传统半潜式钻井平台为例,对其抗冰性能进行了评价,明确了半潜式平台在抗冰设计及安全保障中需要考虑的关键失效模式。

极地环境下海洋装备钢构件的对流换热影响分析

以恒热流加热方式为研究对象,开展极地环境下海洋装备钢构件对流换热的影响分析,在风速为0 m/s~40 m/s以及温度为-40℃~0℃工况下,结果表明:平板和圆管的对流换热系数与构件表面的风速成正比,温度的影响相对较小,流体方向对构件表面换热系数的影响较为显著。同时,在低温实验室开展了对流换热的模型试验,验证了数值模拟的可靠性。最后,结合数值与试验数据,提出了极地环境下海洋装备钢构件对流换热系数预测模型。

冰致海上风电基础结构稳态振动分析

为了明确海上风电基础结构稳态振动发生的条件,根据原型结构用ANSYS软件建立有限元模型,利用经验公式对海上风机基础结构发生稳态振动的冰况进行理论计算;采用具有黏结-破碎功能的离散元方法对不同冰况下的冰与海上风机基础结构相互作用进行数值模拟,得到不同冰况下结构振动模式;依据渤海海域冰厚冰速分布概率经验公式,得到海上风电基础结构可能会出现稳态振动的概率。结果表明,在满足一定条件的冰况下,海上风电基础结构可能会发生稳态振动和出现频率锁定现象,但发生的概率很小。

极地海洋工程装备平板构件的对流换热影响分析

电伴热是极地海洋工程装备防寒主要措施,热平衡是对流换热的关键问题。本文以平板构件为研究对象,采用数值模拟和模型试验相结合的方法,开展极地复杂环境因素对海洋工程装备电加热平板构件热平衡影响分析。首先选取风速、温度为主要环境参数,风速为0~40m·s^(–1)、温度为–40~0℃,基于Fluent仿真和试验测试获得电加热平板构件在不同风速、温度下的对流换热系数。结果表明:增大风速和降低温度都会使平板的对流换热系数增大,在风速一定的情况下,温度对平板的换热影响较小;在温度一定的情况下,平板的对流换热系数随着风速的增加而显著增大。最后,基于试验数据建立了电加热平板构件的对流换热系数数学预测模型,并采用数值模拟验证了该模型的正确性。

寒冷地区水面光伏支架PHC管桩开裂机理

为了探究寒冷地区水面光伏支架预应力高强度混凝土管桩(PrestressedHigh-strengthConcretePipe Pile,即PHC管桩)在服役过程中出现纵向裂纹的问题,本文通过东北地区某水面光伏支架大量的工程现场调研,并且基于实验室冻土试验以及有限元非线性数值模拟,分析冷湿环境下PHC管桩产生纵向开裂的失效机理。研究结果表明:PHC管桩内部填充物冻胀会造成管桩产生塑性损伤以及纵向裂纹;其中裂纹产生的主要原因是PHC管桩内部填充物在低温时的不均匀冻胀对PHC管桩内壁产生了较大的不均匀径向荷载,使桩身混凝土由原来的轴向受压的应力状态,转变为环向受拉与轴向受压的耦合状态。本文的研究结论初步探明寒冷地区水面的PHC管桩内部冻胀造成损伤的机理,为冷湿环境下PHC管桩施工提供参考。

裂缝对寒冷地区水面光伏支架PHC管桩力学性能影响

采用Abaqus数值模拟方法研究冻胀力作用下预应力高强度混凝土(Prestressed High-Strength Concrete,PHC)管桩开裂状态、纵向开裂时管桩的性能退化情况和极端风载荷作用下管桩的承载能力。研究发现:在无钢筋锈蚀的情况下混凝土裂缝对管桩整体弹性模量影响较小;开裂后的管桩在极端风载荷作用下裂纹尖端会有应力集中现象出现,但整体稳定性与未开裂的管桩相差不大。研究内容为保障冷湿环境下PHC管桩的正常运行提供一定的理论参考。

海上风力机叶片覆冰对其气动性能的影响

针对高湿、寒冷地区叶片覆冰问题,以NACA0012翼型以及某2 MW风力机叶片为研究对象,采用计算流体力学数值仿真的方法,预测不同环境下的翼型及风力机叶片覆冰冰型,结合不同冰型分析计算翼型及风力机叶片覆冰前后的气动性能差异。计算结果表明:对于NACA0012翼型,在-5.56℃、67 m/s来流速度、4°攻角下覆冰后,翼型的升力系数损失29.6%,阻力系数上升94.8%,失速攻角由16°提前到12°。风力机整体叶片覆冰前后,气动性能影响最大的是空气中液态含水量增大,大液滴直径下覆冰对叶片的气动性能影响较小。

风力机防除冰系统研究综述

风能作为一种可再生的清洁能源,其应用范围逐步扩大。然而丰富的风力资源基本分布在高寒地带与湿度较大的沿海地区,机组部件极易受到低温高湿的覆冰影响,因此研究有关风力机组防除冰系统具有重要意义。本文通过对现有的风机叶片覆冰探测技术和除冰技术的研究和总结,可以为智能化探测除冰系统的发展方向提供诸多参考。通过大数据将风场中的每台风机所收集到的数据进行综合分析,以节省除冰所需要的人力。对目前风力机叶片防除冰与探测技术的主流方法进行了分析评价,重点介绍了基于冰自身电学特性的探测技术与热能除冰系统的研究与发展现状,并对未来风机机组的智能防除冰综合系统发展提出了相关研究重点与发展方向。

极地气候下水平圆管自然对流换热分析

电伴热是极地工程装备的一种保温和防冻方式,自然对流是影响电伴热系统换热的关键因素。论文针对极地装备的圆管构件,基于传热学理论设计和建立极地气候环境模拟实验室,用于测量极地环境下的水平圆管自然对流换热,其温度范围为-51.7~0.7℃,加热功率范围为0.5~21.1 W。采用恒热流加热方式,分析加热功率和环境温度对自然对流换热系数的影响,并基于试验数据提出了瑞利数Ra在3790~111000范围时它与努塞尔数Nu的函数表达式。数值计算结果表明,水平圆管自然对流换热系数随着加热功率的升高和环境温度的降低而增大,与试验数据整体误差在±20%以内。