波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明:海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。

海南新村港潮汐汊道波流联合作用下的动力特征及其沉积动力学意义

基于ADCIRC与STWAVE模型,对海南新村港潮汐汊道的波浪-潮流联合作用进行了数值模拟,结果表明,S、SE向的平均浪与风暴浪在汊道近岸以产生西向沿岸流为主,SSW向平均浪与风暴浪作用时,在落潮主水道西侧形成东向沿岸流与西向沿岸流的交汇带。风暴浪作用下波生流与潮流的相互作用使瞬时流场与余流场均发生相应的变化。在平均浪作用时,汊道附近流速变化很小,而在风暴浪作用时流速增大,汊道内的涨、落潮流速不对称更为显著。在落潮主水道两侧由于波流联合作用产生涡漩,使动力减弱,从而造成泥沙落淤,而西向沿岸流的存在,使落潮主水道南侧边缘沙坝持续西移,泥沙沿落潮三角洲末端与冲流坝转运,导致新村港汊道口门西侧发育了规模较大的堆积地貌。

波流联合作用下的海底沙波移动对海底底床稳定性影响的研究进展

海底沙波常见于潮流作用较强的内陆架海域，是一种脊线与潮流流向垂直的微地貌形态，一般在40～100cm／s的流速形成。沙波既可大面积自成体系，也可分布在沙脊的坡面上，呈不对称形态。泥沙的粒度、沉积物供给以及水深等因素对海底沙波的发育都有影响。

波流联合作用下的船舶系泊

通过波流联合作用下开敞式深水码头系泊试验研究成果的分析,阐述了流对系泊船舶的作用性质,波流联合作用下系泊船舶动态特征,缆绳选择及系缆方式,并对试验方法的选取提出了建议。

考虑波流联合作用的大直径钢管桩自由站立稳定性分析

随着海洋工程建设水深的不断增加,导管架平台的钢管桩基础呈现出大直径、深贯入的特点。桩基承载力的提高导致了打桩施工难度的增长,不仅要求具有更大锤击能量的打桩设备,而且对打桩全过程的安全控制提出了更高的要求。桩的自由站立稳定性是打桩分析的第一个重要环节。针对置锤荷载的瞬态性特征,以钢管桩自由站立稳定性的静力分析方法为基础,提出了采用动力算法考虑作用于钢管桩上的波浪力和海流力,建立了钢管桩自由站立稳定性分析的动力模拟方法。研究表明,由于API规范法考虑的是荷载长期作用效果,与钢管桩置锤瞬间的瞬态过程不符,用该方法验算桩的自由站立稳定性偏于保守;动力法分析与API规范的计算结果对比表明,规范中的强度折减系数用于验算桩基自由站立稳定性时可以放大1.5倍。

波流联合作用下广东阳西电厂海域二维泥沙数值模拟研究

建立波流联合作用下平面二维泥沙数学模型,在对模型进行充分验证的基础上,对广东阳西电厂工程海区的潮流泥沙进行了数值模拟,对潮流场泥沙场特征进行了分析,计算了工程附近海域冲淤变化及暴风骤淤特征。研究结果表明;工程方案实施后,流态变化比较大的区域主要是取排水口附近、防波堤两侧以及防波堤东侧水域。排水口处流速明显增大,增幅可达167%;取水口东侧、南侧均为泥沙淤积区,取水口附近年冲淤厚度范围为0.1～0.2 m/a;加长码头防波堤后,堤头东侧水域则会有所冲刷,最大冲刷为0.2 m/a左右;台风作用下,海域含沙量明显增大,造成港池和取水口的较强淤积,取水口东南侧均为泥沙淤积区,取水口附近淤积厚度为0.20～0.25 m;加长码头防波堤后,堤头东侧会有所冲刷,最大冲刷可达0.5 m。

波流联合作用下深水铰接塔平台的组合共振

研究了深水铰接塔平台在波流联合作用下的组合共振特性。将平台顶部工作单元简化为集中质量,塔柱和浮力仓简化为均匀直杆,建立了铰接塔平台运动分析模型。考虑海流和波浪对平台的作用,应用M orison公式计算铰接塔平台瞬时位置所受水动力,依据拉格朗日原理建立了铰接塔平台的强非线性运动方程。分别考虑波浪作用和波流联合作用,采用数值计算方法,计算了高400 m、塔柱直径15 m的浮力塔平台的多种组合共振响应。研究表明,波浪作用下平台将出现2vm+vn组合共振,波流联合作用下平台将出现vm+vn组合共振、2vm+vn组合共振。

波流联合作用下弹性支承梁动力特性分析

为分析铰接塔平台的动力特性,建立了部分水下带有集中质量块的等截面弹性支承梁运动模型。用耦合弹簧刚度矩阵模拟铰接头处桩基础与土层之间的相互作用,考虑波浪和海流对梁的Morison力作用及由集中质量块引起的轴向力作用,建立了弹性支承等截面梁横向强迫振动的运动控制模型。采用Runge-Kutta数值方法分别研究了耦合弹性支承和独立弹性支承条件下梁的动力响应。研究表明,波流联合作用下,弹性支承等截面梁的有阻尼固有频率并未发生变化,系统同样将发生超谐共振;海流对不同弹性支承结构的主共振响应影响是不同的。可为海洋工程中铰接塔平台的动力特性分析提供参考。

波流联合作用下多分枝拖曳线列阵回转过程的动力学分析

参考某海洋地震多分枝拖曳线列阵具体参数和该拖船的海浪响应幅值算子(RAO),结合该船工作时的具体过程,利用大型水动力分析软件Orca Flex建立了多分枝线列阵回转过程时的动力学分析简化模型,实现了对多分枝拖曳线列阵在回转过程中的动力学分析,得到了波流联合作用下,各个拖缆的张力和曲率沿缆长方向的变化规律及各个缆索拖曳点End A和拖曳缆索拖曳尾端End B的张力值在时域上的变化图像。结合计算结果,给出了多分枝拖曳线列阵在回转过程中的优化设计方案。

基于波流联合作用的深海采矿扬矿管纵向振动分析

对5000m扬矿管在海洋波流联合作用下的纵向振动进行分析,建立扬矿子系统的物理模型和数学模型,研究了在4级风况下,波浪和海流对扬矿管纵向振动的影响。研究结果表明,波流联合作用下产生的液动力会使扬矿管在深海中发生横向偏移和纵向振动,且扬矿管的纵向振动为简谐运动,纵向振动幅值由上到下逐渐减少,最大振动幅值出现在扬矿管的首端,其振动幅值为0.9641m,最小振动幅值出现在扬矿管的尾端,振动幅值为0.1935m。且在0~200s计算的时间内,扬矿管各周期纵向振动的最大振动幅值各不相同。

波流联合作用下深海扬矿管的水平液动力载荷

分析了波浪水质点速度和加速度、海流速度、扬矿管直径、海水密度等对扬矿管水平液动力载荷的影响,推导出扬矿管水平液动力载荷的计算公式,并通过计算实例揭示出扬矿管水平液动力载荷与和海洋深度变化的关系。

波流联合作用下振荡浮子式波浪发电机动力学分析

参考某型振荡浮子式波浪发电装置的具体参数,结合该装置工作过程,使用水动力分析软件Orca Flex建立了不同海况下装置在工作过程中的动力学分析简化模型,分析了流、波以及波、流联合作用对振荡浮子式波浪发电装置张力、弯矩沿缆长方向的变化规律以及装置能量转换效率的影响。研究结果对海洋可再生能源研究有一定的参考价值。

波流作用下单桩基础局部冲刷试验研究

深水基础在服役期间受到长期的波流联合作用,桩周局部冲刷问题是工程界关注的主要问题。通过对不同桩径单桩基础开展的波浪和水流联合作用的模型水槽试验,得到不同水力条件下的桩周局部冲刷深度发展的时程曲线以及最终形成的冲刷坑状态。发现波流联合作用下的冲刷深度发展相较于单独水流作用更加剧烈,小直径桩相比于大直径桩具有更快的冲刷速率,提出了基于Fra的冲刷深度预测公式,并指出预测公式运用于工程实际中时需乘以安全系数1.2,以确保得到的冲刷深度预测是安全可靠的。

基于FLOW-3D的三维数值波流水槽的构建及应用研究

为获得具有自由液面的三维波流水槽,基于FLOW-3D有限差分程序,选用RNG?-?紊流模型,基于线性波速度入口法造波,采用VOF方法对自由液面进行追踪。构建具有自由液面的三维波流联合作用数值水槽,对比压力出流边界与Sammerfeld辐射边界发现,在波流水槽内采用压力出流边界能够保持流体体积守恒,波形稳定;加入的孔隙结构,不仅能保证良好的消波效果,而且流体能够顺利通过,对消除反射波影响效果良好;与实验结果对比发现,垂向时均流速与实验数据拟合较好。波流场中桩柱前形成明显下潜水流及漩涡,是形成局部冲刷主要原因。本文所构建的波流数值模型波形稳定、具有良好的波流特性,能较好反应波浪与水流之间的相互作用,可进一步模拟波流场与结构物之间的相互作用或波流作用下泥沙冲刷等研究。

波流数值水池模拟研究

波流共存时会产生复杂的非线性相互作用,其联合作用比单纯的波浪或单纯的海流问题要复杂很多.基于不可压缩流体N-S方程建立数学模型,VOF法追踪自由液面,通过在动量方程中添加源项实现阻尼消波,利用商业软件平台FLUENT加载UDF进行二次开发,模拟了规则波与均匀流以及规则波与剪切流的波流数值水池.分析了均匀流与波浪的相互作用,得到了波流同向、波形变长、波幅降低、波流相向则影响相异等结论.探讨了剪切流对波浪的影响,并对计算结果进行了函数拟合.

波流作用下新型立管大水槽试验研究

针对一种新型自由站立式防台风隔水立管系统,在3种不同浮筒净浮力条件下,通过几何比尺1∶21的大水槽物理模型试验,研究了纯水流以及波流联合作用下隔水立管整体的涡激振动和运动轨迹情况,统计了不同测点顺流向位移的平均值和横流向位移的均方根,并对比了纯水流和波流联合工况下立管涡激响应的差异性.研究表明,浮筒净浮力对新型立管的固有频率和运动响应有较大影响,可以通过调整浮筒净浮力来避免立管自振频率与外界激励频率锁定,保证结构安全;纯水流工况下新式立管的涡激振动现象明显,同时通过分析立管不同位置的运动轨迹发现由于结构的复杂性和外部荷载的不稳定性会激发频率为固有频率偶数倍的非对称振动.在波流联合工况下,波浪在一定程度上抑制了隔水立管的涡激振动,使其整体偏移量减小;在横流向,波流联合工况下新式隔水立管的涡激振动相比于纯水流工况发生明显变化,波浪频率成为控制其振动响应的主导频率,此时立管位移的最大值未出现于顶端测点处,而是出现在距离表面波影响较小的测点处.

深水钻井隔水管的准静态非线性分析

对深水钻井隔水管进行准静态分析时,需搜索波浪的最大相位角以寻找最大波流合力,提出了搜索波浪最大相位角的最大Mises应力准则。开发了隔水管准静态分析系统,系统以C++Builder为开发环境,后台调用ABAQUS进行计算,调用面向对象Python程序访问数据库,提取计算结果,实现了波浪最大相位角的自动搜索和深水钻井隔水管的准静态非线性分析。应用实例验证了该分析系统的有效性。结果表明,波浪相位角为180°时隔水管准静态响应最大,其次为波浪相位角90°,270°,0°,隔水管静态响应介于波浪相位角为90°与270°的准静态响应之间。

NONLINEAR DYNAMICS RESPONSE OF CASING PIPE UNDER COMBINED WAVE-CURRENT

The vortex-induced nonlinear vibration of casing pipes in the deep water was studied considering the loads of current and combined wave-current. The vortex-induced vibration equation of a casing pipe was set up considering the beam mode and Morison’s nonlinear fluid loads as well as the vortex-excited loads. The approach of calculating vortex-excited nonlinear vibration by Galerkin’s method was proposed. The natural vibration frequencies and modes were obtained, and the response including primary resonance induced by current and the composite resonance under combined wave-current for the 170 m long casing pipe in the 160m depth of water were investigated. The results show that the dynamics response of casing pipe obviously increases, and the complicated response behaviors of casing pipe are described under combined wave-current.

波浪水流作用下疏浚抛泥损失的水槽实验

为了了解在恶劣海况下疏浚弃土的输移规律.在波流水槽中进行了单纯水流和波流联合作用下抛泥损失的模拟实验.实验表明,波流联合作用下抛泥损失率随波高加大的增长比单纯水流作用下损失率随水流速度加大的增长要明显.利用实验资料,估计了悬沙和底沙输沙造成抛泥损失率的分配和抛泥区底沙输移速度,并讨论了以波流场的挟沙能力作为参数分析抛泥损失率与流场动力特性关系的可行性,比较了窦国仁、刘家驹和曹祖德3种波流场的挟沙能力表达式用于这一分析的结果.

深水铰接塔平台的非线性动力特性分析

研究了铰接塔平台在波浪和海流作用下的非线性动力特性。将平台顶部工作单元简化为集中质量,塔柱和浮力仓简化为均匀直杆,建立了铰接塔平台动力分析模型。考虑海流和波浪对平台的作用,应用Morison公式计算铰接塔平台瞬时位置所受水动力,依据拉格朗日原理建立了铰接塔平台的强非线性运动方程。分别考虑波浪作用和波流联合作用,采用数值计算的方法研究了铰接塔平台超谐共振和混沌运动。研究表明,波流联合作用下平台的超谐共振运动响应增加,在大幅和较高频率波浪激励下,平台系统出现混沌运动。