双自由度D形截面柱体流致振动的二维数值模拟

本文研究了D形截面柱体在顺流向和横流向两个自由度下的流致振动特性,迎流角为90°,质量比为2.6,雷诺数为370~3685,应用RANS方程采用SST k-ω湍流模型和Newmark-β法求解水流运动和柱体运动,入口流速采用匀加速法,检验了数值模型的网格和时间步长敏感性,并与相关文献的实验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性。基于计算结果,系统分析了D形截面柱体的振幅、振动频率、水动力系数、尾涡脱落模式,以及平均位置偏移情况。结果表明,双自由度D形截面柱体在约化速度为8~14的区间内表现为涡激振动-驰振模式,尾涡多为2S和S+2S交替脱落,双自由度振幅比单自由度有显著的增大。升力主要偏向截面的直线边一侧,且升力出现了多个倍频。横流向和顺流向平均偏移量最大都可达到一倍特征长度以上。

正向规则波作用下悬浮隧道时域全局动力分析

应用Morison方程和有限元法,将悬浮隧道管体假定为与岸坡固定的Euler-Bernoulli梁结构,通过将锚索与悬浮隧道管体、海底平面铰接,实现了锚索、悬浮隧道管体以及岸坡三者之间的动力学耦合,将线性波浪理论应用于Morison方程计算波浪荷载,在时域内采用Newmark-β隐式时间积分法迭代求解悬浮隧道的运动控制方程,进而构建了水下悬浮隧道的三维动力学耦合数值模型。研究结果表明:在长周期波主导的海域,适当增大水平方向的系泊刚度,将有利于控制悬浮隧道整体的位移幅值;隧道近岸处的锚索由于边界条件的影响,在波浪条件下将承受更大的张力,工程中应适当增加或加粗近岸端部锚索,排除安全隐患;悬浮隧道的锚索布置间距宜固定在250~300 m的范围内。

Hydrodynamic Behavior of Gap Resonance in Multiple-Box Systems with Sharp and Round Inlet Configurations

Fluid resonance within narrow gaps in multiple-box systems with sharp and round inlet configurations are investigated by using the potential flow and viscous fluid flow models in the OpenFOAM^(■)package.Evident discrepancy between two numerical models can be observed for sharp inlet configurations.In addition to the dramatical decrease of resonant amplitude in narrow gaps,some peak values at the higher resonant frequencies predicted by the potential flow model even disappear in the viscous fluid flow results.The decreased normalized resonant amplitudes with the increase of incident wave amplitude can be observed for sharp inlet configurations.However,the hydrodynamic behaviors of multiple-box system with round inlet configurations between potential flow and viscous fluid flow models are quite similar with each other.The normalized resonant amplitudes are nearly independent of incident wave amplitudes for multiple-box systems with round inlet configurations.This implies that the energy dissipation associated with fluid viscosity and flow rotation plays an important role in the gap resonance for sharp inlet configurations;while it is insignificant for round inlet configurations.

多振荡浮子式波浪能平台水动力数值模拟研究

波浪能作为一种新型清洁能源,高效利用波浪能发电具有一定的发展前景。针对振荡浮子式波浪能装置,很多国家已经有样机陆续投入使用,波浪能利用技术前景广阔。为了明确多浮子桁架式波浪能转换器(WEC)平台的水动力特性,运用基于势流理论的高阶边界元法,建立了振荡浮子式波浪能平台的数学模型,其中浮子与平台通过杠杆原理连接。应用该数学模型研究了多振荡浮子桁架式WEC平台各浮子的升沉运动响应,分析了浮子数和浮子排列对浮子运动响应以及WEC平台发电量的影响。计算了不同线性PTO阻尼系数C影响下的浮子运动速度时程曲线,确定了多浮子WEC发电装置最佳发电效率。通过文中建立的数学模型,计算得到了一些有用的WEC平台水动力特性结论,可以为相关的波浪能平台提供数据参考。

海底管道局部冲刷研究综述

海底管道在海上油气田开发生产中发挥着极其重要的作用,而海底管道服役于恶劣的海洋环境,极易在潮流、波浪作用下产生泥沙冲刷,进而造成管道失效,严重危害海底管道的稳定性。因此,进行海底管道局部冲刷方面的研究工作对科学进步和工程发展都具有重要意义。海底管道局部冲刷的研究由来已久,主要由理论分析、实验室模拟、数值模拟3种研究方法构成。从海底管道局部冲刷机理及影响因素等方面出发,按照3种不同的研究方法,以时间发展为纵向脉络,分别总结了这3种研究方法下的国内外研究现状,并进行了对比分析,可为海底管道局部冲刷领域的研究提供参考。

波浪周期对小型船舶动力响应的影响研究

船舶安全系靠泊并高效地进行装卸作业是港口设计和运营中的重要问题,系泊船舶对波浪周期非常敏感,小吨位船舶对应的固有周期偏小,与波浪周期更易接近,系泊船舶产生大幅剧烈运动的可能性更大,进而影响装卸效率。因此,在港口设计和运营管理中,针对波浪周期对小型系泊船舶运动的影响开展系统研究是非常必要的。本文基于频域势流理论分析小型驳船的水动力荷载,同时,基于时频转换理论,建立系泊船舶与护舷、系泊缆绳组成的非线性耦合系统的动力学方程。针对不同浪向角、波浪周期对该系统进行模拟分析,讨论六自由度运动量随周期、浪向的变化规律和频率特性,并基于小波分析研究船舶运动频率特性随时间变化的规律。研究结果表明,较长波浪周期下,船舶纵荡和横摇运动具有多频运动特性,除波浪强迫激励运动外,还存在自身的固有运动频率成分。

波浪作用下悬浮结构水动力特性分析

悬浮隧道作为一种新型的水上概念交通形式,自该概念提出以来,受到世界各国学者的广泛关注。为了有较好的水动力特性,通常做成类圆管形状。文章基于势流理论,采用高阶边界元方法建立数学模型,分析了悬浮隧道在不同环境参数下的水动力特性,对圆形、椭圆形和双圆截面结构所受波浪激振力、附加质量和辐射阻尼进行了分析比较,研究了结构物不同淹没深度、不同截面形状以及结构不同特征参数对其水动力特性的影响。研究结果表明:当淹没水深增加,圆截面受到的波浪激振力和辐射阻尼都会随之减小,而附加质量的变化较小;对于椭圆和双圆截面的比较,水平方向椭圆截面所受波浪激振力和附加质量都比双圆截面小,而在垂直方向的波浪激振力和附加质量则较大,且椭圆截面所受的辐射阻尼比双圆截面在水平和垂直方向上均较大;对于双圆截面,结构物受到的水平方向上的波浪激振力和辐射阻尼随着中心距的增大而增大,在垂直方向则体现出相反的趋势,附加质量在两个方向上都均随着中心距的增大而减小。本研究计算结果可为悬浮隧道相关工程的截面选择提供参考。

围油栏水动力特性大比尺物理模型试验研究

针对围油栏水动力特性的问题,进行了模型比尺为1:1的规则波、水流与围油栏相互作用的大比尺水槽物理模型试验。利用拉力传感器和Polhemus电磁式位置跟踪系统,对围油栏的受力和不同浮子的运动响应进行了测量,研究了不同环境因素(周期、波高、流速)对围油栏水动力特性的影响。试验结果表明,在波流组合的情况下,围油栏的受力情况对水流流速最为敏感,波高其次,波浪周期对其影响最小。围油栏不同位置的浮子水平运动特征不同,但各个浮子的运动响应幅值均对波高较为敏感,基本同波高成线性关系。同时,水流抑制了各个浮子的水平运动,但使其升沉运动更为剧烈。

水流作用下悬浮隧道耦合动力数值模拟分析

安装在深水区的悬浮隧道在水流作用下会产生交替脱落的漩涡,从而使得悬浮隧道受到周期性的力,进一步导致悬浮隧道产生涡激振动。当涡脱落频率与悬浮隧道固有频率相接近时会发生“锁定”现象,进而导致悬浮隧道发生振幅较大的运动,类似于结构的共振状态。文章利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体雷诺平均Navier-Stokes方程,并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法,对不同雷诺数下(Re=1000~100000)悬浮隧道的涡激振动问题进行了数值模拟研究。计算中悬浮隧道受到弹簧和阻尼的约束,并允许其仅发生横流向的运动,研究了不同结构自振频率下悬浮隧道的受力和运动情况以及不同浮重比情况下悬浮隧道的受力和运动的结果。结果表明,在计算的各雷诺数下,悬浮隧道发生“锁定”的频率基本一致,但是悬浮隧道不同浮重比对“锁定”区间存在影响作用。

几内亚湾长周期涌浪作用下岛式码头防波堤稳定性试验研究

针对几内亚湾波浪周期长、波高大且波浪方向集中的特点,基于贝宁岛式码头防波堤项目,通过三维物理模型试验分析了防波堤护面块体、垫层及挡浪墙稳定性以及防波堤的越浪量。试验结果表明:主要浪向S方向波浪作用下,在极端高水位2.20 m波浪重现期50 a不规则波浪作用时,堤身及堤头的扭王字块和挡浪墙保持稳定,越浪较为严重,越过挡浪墙的波浪直接作用在堤内侧护面块石上,发生失稳破坏。通过增高挡浪墙高程、增加挡浪墙后方水平板厚度的措施,同时满足了越浪量和挡浪墙受力稳定的要求。试验表明,在长周期涌浪作用海区,对于有较大越浪量的挡浪墙稳定性不能仅用规范公式计算,文章再次验证了三维港池整体物理模型试验在研究防波堤稳定性及有较大越浪量等方面的必要性。

海底地形对浮体慢漂响应的影响研究

浮体在波浪中的运动经常受到海底地形的影响,文章基于势流理论,采用高阶边界元方法计算海底地形对浮体慢漂运动响应的影响,计算中充分考虑了海底地形在波浪传播中对其的绕射影响。计算结果表明,变浅的海底地形会导致波浪场的波高增加,浮体运动响应增大,分别对浮体相对海底地形不同位置时浮体受到的波浪力和运动响应进行了定性及定量的分析,分析了浮体相对海底地形不同位置时浮体的水动力特性及运动特性,说明为了更准确模拟近岸或者离岸线性约束浮体的水动力情况,海底地形的影响不能忽略。

锚索倾角对不同截面悬浮隧道运动响应影响研究

张力腿式悬浮隧道通过张紧的锚索连接使其淹没于深海中,锚索倾角对波浪作用下的悬浮隧道的运动特性有重要影响。该文基于势流理论,将锚索系统进行简化,由水平和垂直方向的线性弹簧代替,建立二维时域模型,计算波浪与张力腿式悬浮隧道的相互作用问题。采用高阶边界元方法对物体表面以及自由水面进行离散,通过相应的边界条件建立积分方程求解物体表面速度势。应用Newmark-β法求解悬浮隧道管体的运动方程,分析悬浮隧道在不同入射波浪条件下的运动特性,针对圆、椭圆、耳形和双圆四种截面形状结构在不同锚索倾角下随入射波波频变化的运动响应进行分析比较。结果表明锚索倾角对结构的运动影响较大,结合四种截面在不同锚索倾角下的水平和垂直方向运动可知50.63°-56.25°范围内结构在波浪作用下会比较稳定。水平方向椭圆截面的位移变化随着波浪角频率的变化最为平缓且位移值较小。垂直方向圆截面的位移变化随着波浪角频率的变化最为平缓,其余三种截面变化趋势相似但位移值在共振处差异显著,双圆结构共振峰值最大,椭圆与耳形相近。该研究可为悬浮隧道设计后续的其他计算模型和结构整体的运动分析提供数据参考。