低质量比圆形四立柱涡激运动特性研究

采用有限体积法对圆形四立柱涡激运动进行数值模拟。圆形四立柱涡激运动系统简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,并结合SST k-w湍流模型对低质量比弹性支撑的圆形四立柱涡激运动进行模拟。将四阶Runge-Kutta代码嵌入用户自定义函数UDF（User Defined Function）中求解四立柱的动力响应,采用动网格技术来实现立柱和流场之间的耦合。研究发现,圆形四立柱涡激运动流向和横向振幅随着折合速度的增大而先增大后减小,并出现幅值跳跃现象,跳跃点在折合速度9.0处。横向振幅最大值出现在折合速度为8.0时,大小为1.99D,远大于流向振幅最大值0.26D。圆形四立柱流向运动平衡位置随折合速度增大并非一直增大,在折合速度9.0时突然下降随后增大。圆形四立柱涡激运动出现了明显的频率锁定现象,锁定区间为5.0～8.0。当系统走过锁定系统后,流向幅值和流向幅值迅速减小。最后对不同折合速度下圆形四立柱运动轨迹和尾涡脱落模式进行讨论分析。

深水张力腿平台非线性涡激特性及水动力性能研究

平台涡激运动易导致立管及系泊系统疲劳损伤,危害其安全稳定性。该文引入雷诺平均法求解NS方程结合DES湍流模型对不同流速下深水张力腿平台三维涡激运动及流场特性进行了数值研究。采用GAMBIT软件建立计算网格,将求解动力学控制方程的代码嵌入UDF求解器中,采用动网格技术实现流场更新并求得作用于平台立柱和浮箱上的瞬时升力和拖曳力。采用最大值统计法和均方根统计法进行数据统计。研究发现：张力腿平台涡激运动流向振幅的大小随着约化速度的增大而增大,但在小范围内波动;横向振幅曲线最大值出现在0°来流、约化速度U~＊=8.0处,大小为0.38D;三种来流工况流向平衡位置随无因次速度的增大而增大,但增长速度有所区别,22.5°和45°下流向平衡位置的增加速度要明显大于0°来流;22.5°来流升力系数谱能量较为分散,立柱及浮箱之间的干扰具有强非线性效应;最后对张力腿平台表面压力系数分布及涡量等值面特性进行了分析和探讨。

紧凑高效微通道换热器流动与换热特性研究进展

随着全球海上浮式液化天然气(liquefied natural gas,LNG)接收站的兴起,LNG换热器作为液化天然气汽化的关键设备得以广泛应用.与传统换热器相比,紧凑高效微通道换热器(compact and efficient microchannel heat exchangers)具有耐高压、耐低温及传热效率高等优点,在核反应堆热交换、氢能等领域有巨大应用前景.文中对近年来微通道换热器的流动与换热特性研究进展作了系统总结:对比多种微通道换热器的流道构型及不同流道结构的流动与换热特性,半圆截面之字形流道在工程中广泛应用;目前微通道换热器流动与换热特性的数值计算工质以单相氦或超临界CO2为主,而氮为工质的研究较少;微通道换热器流道内的多相流、数值模拟边界条件以及低温流动换热问题还有待研究.

新型浮式钻井生产储油平台涡激运动数值模拟及试验研究

利用数值模拟方法对浮式钻井生产储油平台(Floating Drilling Production Storage Offloading,FDPSO)涡激运动特性开展了研究.采用雷诺平均法求解Navier-Stokes(N-S)方程,运用DES(Detached Eddy Simulation)湍流模型及CFD(Computational Fluid Dynamics)动网格方法对FDPSO平台的涡激运动流场特性进行了模拟;同时采用1∶80的缩尺比物理模型,在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的海洋工程水池中进行了模型试验研究.试验考虑了系泊系统以及平台不同自由度之间耦合作用对平台涡激运动的影响,并将数值模拟和模型试验结果进行对比,分析了新型多立柱浮式钻井平台流向和横向涡激运动时间历程、频谱特性、锁定现象等以揭示其涡激运动的内在机理,为该型平台的设计提供借鉴和参考.

基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究

本文基于带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效模型建立平整冰有限元模型,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶在平整冰条件下航行的冰载荷开展了数值模拟,选取航速和平整冰厚度作为敏感性参数,分析了参数变化对破冰阻力的影响。研究发现:各方向上的冰载荷在时域上均存在一定的周期性,冰层在船艏撞击和浮力作用下,通常以多种破坏模式的混合方式同时出现;船舶在平整冰环境下的破冰阻力随航速和冰厚的提高基本呈线性增加的趋势,不同航速及冰厚条件下的破冰阻力数值计算结果与Lindqvist经验值的误差分别在-7.5%~13.1%和-10.8%~19.4%范围内,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶破冰阻力进行预报具有较高精度。

基于浮冰区参数化设计的船舶冰阻力数值模拟

本文参照真实冰区环境下浮冰尺度(MCD)概率分布规律,基于遗传算法运算器Glapagos,采用Grasshopper参数设计工具对Voronoi图进行全局优化,建立了符合自然环境的浮冰区模型,采用LS-DYNA流固耦合方法对船舶在浮冰区航行的参数影响情况进行了研究。研究发现:船肩附近的浮冰滑移现象最为显著,船艏附近的浮冰破碎现象则更为明显;船体受浮冰的冲击频率随浮冰密集度的提高呈明显增大趋势,而受冰厚影响较小;浮冰载荷波动的剧烈程度与影响因素(浮冰密集度、浮冰厚度和航速)正相关;相比大尺度浮冰,小尺度浮冰具有较高频率的冲击载荷、较大的载荷脉冲宽度和成分占比更高的摩擦阻力,这对浮冰阻力起到了明显的加强作用;浮冰阻力具有一定的随机性,但一般随浮冰密集度、冰厚和航速的增加而增加。

半潜式生活支持平台碰撞机理

采用数值计算方法对某半潜式生活支持平台与钻井平台在典型工况下的碰撞机理进行分析。利用HyperMesh软件建立生活支持平台与钻井平台的有限元模型,根据失效应变与网格尺寸的经验关系对碰撞区域模型网格进行细化。重点从碰撞速度、结构变形、碰撞力和能量转化等方面分析生活支持平台的碰撞机理,得出以下结论:碰撞力表现出明显的非线性,碰撞力的增大代表有新构件参与抵抗碰撞变形,卸载表示有构件失效;碰撞结构损伤有明显的局部性,主要集中在碰撞区域附近,与碰撞部位的尺寸和形状有很大关系;生活支持平台钻井平台的碰撞不同于平台船舶的碰撞,大部分初始动能转化成平台的转动动能,横摇和艏摇运动明显。

基于CFD方法的系泊状态FSO舵载荷计算

舵设备是船舶进行操纵的重要设备,传统舵的性能计算和结构设计多针对航行船舶开展,对系泊在位状态船舶的舵波浪载荷关注较少。采用CFD方法,针对一艘系泊在位状态下FSO(floating storage and offloading)在遭遇极端波浪时的舵载荷进行计算。首先根据FSO临界作业条件评估船体与波浪的最大遭遇角度,然后建立数值波浪水池,评估最大遭遇角状态在实际海况下的舵力矩特征。研究结果表明,在极端海况下的舵力矩会超出规范设计舵力矩,会对舵系结构安全造成威胁。本文研究成果可为同类型舵结构的设计提供参考。

阶梯型月池附加阻力形成机理及其特性研究（英文）

月池是一种被广泛安装在钻井船和钻井平台上的结构,其存在会对这些海洋结构物的水动力性能特别是快速性造成严重的负面影响。文章通过理论分析辅之以数值模拟的方法,对不同弗劳德数(Fn)、不同月池无量纲吃水(DD)、不同月池长宽比(RoLW)下月池附加阻力的形成机理及其特性进行研究,并从边界层理论角度对月池涡结构的三个时空演化过程(生成阶段、运输阶段、作用阶段)进行详细的讨论及分析。研究结果表明,高弗劳德数条件下,由于涡生成阶段变得更为剧烈导致月池阻力急剧增大;当月池无量纲吃水约为0.75至1.15时,由于剧烈的月池平台上浪现象,月池附加阻力达到最大范围;此外,当月池长宽比低于3.5左右时,由于共振的影响同样会使月池阻力剧增。

一种新的碰撞耗散能快速估算方法及其在船—平台碰撞事故中的应用研究（英文）

海洋平台在作业过程中存在遭受船舶碰撞的潜在危险,一旦事故发生将可能导致结构严重损伤从而影响平台的作业安全,因此在平台结构设计阶段需要考虑其抗撞性能。文章以海洋供应船撞击半潜式钻井平台为研究对象,基于碰撞外部动力学理论和DNV规范计算方法,计及平台艏摇运动响应的影响,提出了一种新的耗散能估算方法-DNV`R解析法。以非线性有限元船-平台碰撞数值仿真结果为参考,将该解析法与规范法、Zhang解析法及Liu解析法计算结果进行对比,研究得出:文中所提出的DNV`R解析法弥补了规范法较为保守且仅适用于对心碰撞场景的不足,计算过程简单、便捷,且计算精度与Zhang解析法和Liu解析法基本接近,能够满足船-平台碰撞耗散能快速估算的精度要求。

基于参数化设计的浮冰区船舶冰阻力研究

基于Voronoi图采用参数化设计工具对不规则几何形状的浮冰开展参数化建模,参照真实冰区测量信息,利用遗传算法对浮冰尺度概率分布开展了优化研究。考虑不同浮冰尺度范围,采用有限元方法对船舶在浮冰区航行的冰阻力进行了数值计算。研究发现:大尺度浮冰相对于小尺度浮冰而言,破碎更为剧烈;优化浮冰尺度概率分布的冰阻力峰值总体而言大于优化前,平均值则较小;数值计算结果在较大浮冰尺度范围内与经验值较为吻合,浮冰阻力平均值随浮冰平均尺度增大呈负指数幂函数减小趋势。文中提供了一种对浮冰尺度概率分布进行校正和优化的方法,对船舶在浮冰区的阻力预报具有一定参考价值。

大洋勘探船月池阻力特性研究

针对大洋勘探船,考虑直立型首和球鼻型首2种船型,以及无月池、首月池和双月池3种月池配置方案,采用数值模拟的方法分析船舶总阻力以及月池增阻情况。分析不同船型及月池布置方案对大洋勘探船船体阻力的影响,探究不同船型以及月池布置方案的摩擦阻力和剩余阻力分量的规律,为进一步探索月池阻力的改进措施提供思路。

低密集度浮碎冰数值生成方法研究

合理的浮碎冰初始分布是数值模拟极地船舶碎冰阻力的关键,目前主要通过Voronoi图得到初始的浮碎冰分布,但该方法得到的浮碎冰直径呈正态分布与实际观测结果不一致。本文将Voronoi图方法、概率理论等有机结合,推导出量化浮碎冰直径的公式,之后通过分离轴定理将数值重叠的浮碎冰进行分离,形成给定密集度下浮碎冰的生成方法,使浮碎冰直径满足指数分布规律,为浮碎冰场的数值建模提供合理的输入。在验证方法有效性的同时,开展了相关变量对浮碎冰分布特性的影响研究。数值研究结果表明:浮碎冰直径经过量化后,随机点数对浮碎冰的数值生成结果基本没有影响;当δ=0.1时,浮碎冰的数值生成结果的离散度最小;参数β是影响浮碎冰分布概率密度函数的一个重要参数,β的取值应根据不同海域进行选取。

37m黄河双体渡船总强度有限元分析

双体船在风浪中航行时会遭受比较大的总横弯矩和扭转力矩的作用,为保证双体船的安全性,有必要对其相关的强度进行分析。依据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》(2009),采用有限元分析的直接计算法,对某双体船的主船体及连接桥结构进行强度评估。计算结果表明,该船的结构满足规范要求,并通过相关分析对结构的优化提出建议。

加注过程液舱晃荡与运动耦合试验与数值模拟研究

加注会改变液舱内液体的质量,再加上实际水域中风浪的影响,使液舱晃荡与液舱运动十分复杂,影响船舶的航行安全和工作效率。针对该问题,在试验中通过向处于静水中做横摇衰减运动的液舱模型持续加注来进行分析,研究10°初始横倾角状态下,不同加注速度对30%载液率和50%载液率液舱的横摇频率和衰减速度及舱壁压力的影响。将试验结果与数值模拟进行对比,验证了数值方法的准确性。结果表明:加注会降低液舱横摇的频率并且加快其横摇衰减速度,载液率越高时加注的影响越明显。

公路养护机械及质量检查与评定

本文介绍了公路养护机械、公路养护质量日常检查、公路养护质量定期检查及公路养护质量等级的检查与评定。

规则波作用下养殖工船的运动响应特性

采用模型试验和计算流体力学(CFD)方法对一艘新型深远海养殖工船在规则波下的运动响应特性进行研究。针对载液率为81.5%的满载工况,将养殖水体替换为固体,探究自由液面对运动响应的影响;考虑载液率为81.5%和47.4%的2种载液状态,分析载液率对运动响应的影响。结果显示:数值计算结果与模型试验结果吻合良好;自由液面效应和较高的载液率均增大了横摇运动固有周期,减小了横摇运动响应幅值算子(RAO)峰值;自由液面效应和载液率对养殖工船的纵摇运动影响不大。

爆炸载荷下半潜式钻井平台月池结构动态响应

以某半潜式钻井平台月池结构为研究对象,基于一般耦合法建立拉格朗日与欧拉网格的耦合,计及应变率效应的影响,结合二阶精度求解器ROE算法、等效当量TNT方法和理想气体状态方程,参考API规范的要求设置多组计算工况,对月池结构在不同爆源高度和不同当量载荷下的动态响应进行数值分析。结果表明:该半潜式钻井平台月池结构的抗爆性能较好,未出现破损失效的情况。当爆源高度超过41.55m或载荷增大时,对x方向月池内壁板格造成的冲击和变形损伤更大,该处结构在防爆设计中应重点考虑;平台沿y方向的舱壁为主要吸能构件,占比最小为44.7%,爆源高度降低时吸能占比增大,爆炸载荷增大时吸能占比减小;平台沿x方向的舱壁吸能占比较为稳定,约为24%。

基于流固耦合方法的极地船型破冰性能研究

破冰性能是极地船舶总体性能的重要组成部分,开展极地船舶破冰性能理论研究对极地船舶的船型开发具有重大意义。论文选用带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效材料模型模拟平整冰层,采用LS-Dyna流固耦合方法模拟极地船舶在极地无限冰区中连续破冰航行的场景,分析3种不同船型船舶的破冰性能差异。研究结果表明,在平整冰区连续破冰航行过程中,极地船舶所受冰载荷具有高度非线性震荡特征,船首与冰层直接作用区域的应力呈环状分布。直立型首和球鼻型首极地船型主要使冰层发生挤压破坏,而破冰型首极地船型能够有效引导冰层发生下压弯曲破坏,并最大程度地限制冰层的挤压破坏,其破冰性能优于其余两船型。

航行状态下钻井船月池内流场特性

以某钻井船“凸”字型月池为研究对象,基于黏流理论,运用FINE MARINE软件对某钻井船的月池附加阻力及流场特性进行研究。研究发现,开敞式的月池使得钻井船航行阻力增加,最大占船舶总阻力的19.34%,月池附加剩余阻力是月池附加阻力增加的主导因素。“凸”字型月池内流体的流场完整地呈现了月池内流体的漩涡运动以及对月池后壁砰击运动的全过程。在高航速下,“凸”字型月池内流体运动主要是以晃荡运动为主导的,晃荡与活塞混合的运动模式;月池内流体的周期性漩涡运动主要形成于月池中后缘,流体对月池后壁的砰击作用增大了月池受力,并随航速的增加而愈加剧烈;月池的受力谱峰频率分别为0.820 Hz和1.046 Hz,与月池波面变化的谱峰频率相同。通过探究月池流场运动形式和月池附加阻力机理,可对钻井船“凸”字型月池设计提供一定的借鉴和参考。