波浪能发电装置垂荡浮子PTO系统的建模与计算

为了便捷求出垂荡式波浪能发电装置垂荡浮子的平均功率,对现有的设计计算方法进行了研究。基于波浪理论和Froude-Krylov假定法求解波浪力,应用单自由度有阻尼系统受迫振动理论,将波浪激励力作为对垂荡浮体的输入动力,将发电机的电磁阻力作为主要的阻尼力,建立了质量-弹簧-阻尼振动力学模型,确定了垂荡浮子响应的计算方法,并对实际波浪能发电装置垂荡浮子Power Take Off(PTO)系统列举出计算实例。在算例基础上,对假设条件进行了扩展,应用频率响应曲线、MATLAB软件做出不同参数条件下平均功率三维曲线和输出平均功率数值表,清晰地表明了系统响应状况。研究显示,在波高和频率比一定的条件下,PTO系统平均机械功率随着浮体质量和阻尼力矩的变化具有峰值,围绕峰值区域设计装置的各项参数,能够取得较理想的效果。该建模与计算方法可为实际工程优化设计提供参考。

垂荡板对波浪能浮标的水动力特性影响分析

为了探究垂荡板几何结构参数对垂荡板式浮标的水动力性能和转换效率的影响,提高垂荡板式振荡水柱式波浪能发电浮标的发电效率,利用AQWA水动力学软件,对具有不同开孔率、长度、厚度的垂荡板浮标的水动力特性和波浪能捕获效率的影响进行了分析。结果表明,减小垂荡板开孔率、适当增加垂荡板长度和厚度,能提高浮标模型的俘获宽度比,最大俘获宽度比可达到57.84%。研究成果能为带垂荡板振荡水柱式波浪能发电浮标的设计提供理论基础。

基于垂荡和纵摇运动模型对波浪能最大输出功率的设计

研究波浪能装置最大输出功率的设计,以运动平衡方程和能量输出系统研究为基础理论背景,建立浮子和振子的垂荡、纵摇运动模型和最优阻尼系数模型,确定给定时间下的浮子与振子的垂荡位移及速度和纵摇位移及角速度,并借助模拟退火算法和网格搜索算法分别确定两种情况下给定参数值的最大输出功率及最优阻尼系数.

基于非线性能量阱的半潜式平台垂荡响应抑制研究

半潜式平台由于吃水浅、水线面小导致垂荡响应较大,为采油树的选择以及钻井、采油等作业带来了许多制约因素,增加维护和作业成本。针对这一问题,本文提出了一种带有非线性能量阱(Nonlinear energy sink,NES)的半潜式平台结构。根据NES减振原理,将活动式垂荡板作为NES系统的具体结构,通过建立带有NES系统的半潜式平台动力学模型,以减小平台垂荡响应为目标,优化设计了NES系统参数。考虑海况变化问题,对NES系统和调谐质量阻尼器(Tuned mass damper,TMD)系统的垂荡响应抑制性能、系统能量传递进行了对比分析。结果表明:NES系统对半潜式平台的垂荡响应具有明显抑制效果,NES系统的共振俘获现象可以使平台与其发生靶能量传递(Targeted energy transfer,TET),同TMD系统相比,NES系统对不同海况波浪谱峰周期变化的鲁棒性更强。

基于CFD方法的半潜平台垂荡板水动力特性研究

本文针对半潜平台垂荡板,研究不同运动周期和运动幅值下的阻尼性能和附加质量,以便有效减小此类结构的垂荡运动;研究不同垂荡板形式的水动力特性,为改进此类结构提供依据和参考。文中采用CFD方法模拟垂荡板的强迫运动,计算规则波下的阻尼系数和附加质量,对比了更改截面形状、扩大月池开口面积、增减板厚、开小孔、削倒角对垂荡板性能的影响,分析了影响垂荡板阻尼的关键因素。计算分析表明,垂荡板阻尼和附加质量受周期和幅值影响较大,减小板厚和开小孔对垂荡板增阻有积极意义。

不同运动参数对圆筒型FPSO垂荡性能和附加质量的影响

圆筒型浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)较差的垂荡性能成为阻碍其走向深远海油气资源开发利用的一个重要因素,减动结构的设计能一定程度上改善垂荡性能。本文基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,利用Fluent软件建立三维数值水池模型,采用强迫垂荡运动的方式,计算了不同运动参数下带延伸筒体和减动结构的圆筒型FPSO的垂荡阻尼系数和附加质量。研究结果表明:垂荡阻尼系数与垂荡运动周期负相关,与垂荡运动幅值呈线性正相关,且垂荡运动周期较小时,垂荡阻尼系数受垂荡运动幅值的影响较明显。垂荡附加质量随着垂荡运动周期增大呈现明显上升趋势,但其对垂荡运动幅值不敏感。垂荡运动周期接近垂荡固有周期时,垂荡附加质量出现极小值。本文的计算结果能够为工程实际提供一定参考。

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响,从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响,建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先,基于三维势流理论,采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析,分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律;进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析,探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明:垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO,但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响;具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板基础,在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势,说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。

基于垂荡运动波浪能发电PTO系统阻尼研究

波浪能作为海洋资源中储藏量最丰富的清洁能源,其发展前景十分广阔。因此,如何解决波浪能能量转换,实现波浪能最大层次的规模利用,是当前面临的关键问题。针对求解最优阻尼系数和最大发电功率,建立波浪能装置垂荡运动模型,分别讨论常数阻尼和线性阻尼两种情况下浮子和振子的垂荡运动以及对应的最优阻尼系数和发电功率。通过ODE45函数、变步长搜索法等精确求解得出:当系统采用常数阻尼时最大发电功率124.20 W,最优阻尼系数为37 940 N·s/m;当系统采用线性阻尼时最大发电功率为124.22 W,最优阻尼系数为46 025 N·s/m。

非对称垂荡式振荡水柱波能转换装置的水动力性能

为提升波能转换装置的经济竞争力,针对非对称垂荡式振荡水柱(OWC)波能转换装置,基于势流理论和匹配特征函数展开法,通过引入盖根堡多项式近似表征结构尖角附近的流场奇异性行为,深入研究后墙吃水深度(非对称)、墙体厚度和线性弹簧系数对垂荡式OWC装置的波能转换效率、透射系数、气室内平均液面高程等水动力参数的影响规律。研究结果显示,后墙吃水深度及墙体厚度的增加会提升装置在长波区域的高效转换能力,并且显著提高结构物整体阻波防浪性能;线性弹簧的出现,能调节水柱振荡和结构垂荡运动响应之间的相位差,从而有效拓宽垂荡式OWC装置的高效频率带。

Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动模型试验研究

针对Spar平台主体垂荡-月池流体耦合运动问题,采用模型试验的方法进行了研究。设计了可拆卸的月池底部挡板及垂荡板,通过静水中自由衰减试验及波浪中强迫运动试验,分析了月池流体对平台主体垂荡运动的影响。结果表明:月池流体显著增加了平台垂荡阻尼;当波浪周期接近平台垂荡固有周期时,月池流体对平台主体垂荡有抑制效应,且抑制程度与月池开孔面积有关;对于较大的底部挡板开孔率,平台主体垂荡RAO有2个峰,当波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时,也会激起平台主体较大的垂荡运动。实际中采用半开口月池时,应考虑月池流体对平台主体垂荡运动的影响。

大型气浮沉箱拖航过程中的垂荡运动特性分析

为防止大型气浮沉箱在浅水海域拖航中由于垂荡值过大造成触底,本文研究了气浮沉箱的垂荡运动特性。采用MOSES分析软件获得气浮沉箱在不规则波波浪下垂荡位移的响应,经Welch法分析得到气浮沉箱的固有垂荡周期;利用周期不同的规则波浪进行气浮沉箱拖航模拟,以此获得相应的垂荡运动位移幅值最大点对应的周期值范围。同时,分析了理论垂荡固有周期值的计算过程,并研究了不同吃水对气浮沉箱垂荡运动特性的影响。证明经过MOSES分析软件和功率谱估计得到的垂荡固有周期值是合理的,可以参与水动力学计算并作为选取附加质量因素时的参考值;随着吃水的加大或分舱内气压的减小,垂荡固有周期值有增大的趋势。

深吃水半潜式平台垂荡响应数值分析

为优化半潜式平台的垂荡性能,以DPS 2001-4深吃水半潜式平台半潜式平台为例,在频率内采用粘滞阻尼线性化方法,通过数值迭代计算得到了该平台的垂荡响应幅值算子(RAO).根据得到的垂荡RAO,分析了垂荡板对平台垂荡响应的影响,并进一步求得了平台在墨西哥湾、西非和中国南海海域百年一遇海况下的垂荡响应极值.计算结果表明:垂荡板系统对平台的垂荡响应有着很好的抑制作用,但随着垂荡板放置水深的增加,平台在各海况下的垂荡响应极值逐渐变小,当水深超过100 m后,垂荡响应极值将逐渐趋于恒定.

垂荡板对Truss Spar平台垂荡性能的影响分析

为了研究垂荡板对Truss Spar平台垂荡性能的影响,在建立Truss Spar平台垂向波浪载荷计算模型的基础上,基于柯莱根-卡彭特数Kc计算了Truss Spar平台的黏性阻尼,提出了垂荡响应幅值的理论计算方法,并将理论计算结果与AQWA软件的仿真结果进行对比。分析结果表明:2种分析方法下垂荡响应幅值趋势一致,峰值较为接近,而且理论计算方法计算速度明显优于仿真分析方法;基于Kc数的垂荡响应幅值理论计算方法能快速有效地分析设有垂荡板的海洋平台的垂荡响应;黏性阻尼能够有效抑制Truss Spar平台的垂荡响应,在垂荡响应分析中不可或缺,垂荡板贡献的黏性阻尼是总黏性阻尼的主要组成部分。所得结论可为合理确定Truss Spar平台垂荡响应幅值提供参考。

新型垂荡结构对钻井平台的性能优化研究

设计、研究一种新型结构的双浮体四立柱半潜式钻井平台,论证新型垂荡结构是否能够有效减小平台的垂荡响应。通过workbench建立双浮体四立柱原平台三维湿表面模型和新型结构的平台模型,通过数值模拟仿真分析,得到需要的数据进行综合评价。分析数据得出,增加新型垂荡结构的平台垂荡附加质量约增加一倍,平台在浪向角为0、45°、90°时垂荡响应的最小值、最大值、均值都有所减小,且垂荡响应最大值减小的较为明显。所设计的新型结构半潜式钻井平台能有效的降低平台的垂荡运动。

新型防垂荡型半潜式钻井平台

设计出一种新构型的半潜式钻井平台,采用数值模拟软件分析了新型平台在频域和时域的垂荡响应,并与双浮体四立柱结构和垂荡板结构的半潜式钻井平台进行了对比。介绍了新型平台的设计原理以及进行相关分析时的理论基础、数学模型和边界条件。结果表明,与双浮体四立柱和垂荡板结构平台相比,频域分析中新型平台的垂荡响应最大值和均值都显著减小;新型平台的垂荡固有周期显著增加,能有效防止共振的发生;系泊时域耦合分析中,新型平台的纵荡、横荡、横摇响应较小,且垂荡响应大幅减小;谱分析中新型平台有更小的垂荡响应谱峰值和更好的波频特性。新型平台防垂荡性能优异,结构合理、可行,可为新一代半潜式钻井平台的设计、选型提供参考。

Spar平台垂荡板受迫振荡水动力特性研究

首先针对圆形实板以及不同透空率下垂荡板作受迫正弦振荡的水动力特性进行了数值模拟研究,得到垂荡板作正弦振荡的阻力和附加质量系数,进而分析得出透空率对垂荡板阻尼及附加质量的影响规律;其次比较了相同透空率情况下不同小孔数目对垂荡板水动力特性的影响,并比较了不同形状垂荡板的水动力特性;最后还对双板之间的间距进行了优化计算。在此基础上综合考虑垂荡板受迫振荡水动力特性,为深水Spar平台的垂荡板优化设计提供技术指导,使其能够有效地改善Spar平台的垂荡运动性能。

垂荡阻尼板的强迫振荡试验

垂荡阻尼板是一种增加 Truss spar阻尼的结构形式 ,它可以通过增加平台的阻尼和附加质量 ,从而达到减小其垂向运动的目的 .为了研究垂荡板的水动力 ,进行了三角形垂荡板在单板和双板两种情况下的强迫振荡试验 .将试验结果用 Morison公式进行了分析 ,给出了垂荡板在较大Re和 Kc时的惯性力系数和拖曳力系数 ,并探讨了板间距对水动力系数的影响 ,得出了理想的板间距 .对阻尼板的设计具有一定的实用意义 .

Spar平台垂荡板水动力系数计算与分析

Spar平台带有厚度很薄的垂荡板,使用边界元方法计算时存在着准奇异积分的数值计算问题。采用自适应高斯积分法对其准奇异积分问题进行处理,较少单元即可达到很高精度。在势流理论下对Spar平台垂荡板的水动力系数进行了计算,并与实验结果进行了对比,发现真实流体中垂荡板的附加质量约为势流理论下附加质量计算结果的1.1倍,而辐射阻尼在总阻尼中所占的百分比很小,此时粘性阻尼成为垂荡板的主要阻尼来源,在工程设计中不可忽略。

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。