基于空气动力-水动力耦合分析的SPAR基础浮式风机系泊系统疲劳分析

以OC3 Hywind SPAR单立柱基础形式浮式风机为研究对象,基于非线性空气动力-水动力耦合时域算法,对该浮式风机在中国南海北部某海域风浪流共同作用下的系泊系统疲劳响应特性展开研究,对比钢链、钢缆的疲劳响应特性以及定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统疲劳特性的影响。计算结果表明:在条件一致的情况下,钢缆疲劳性能优于钢链;系泊系统疲劳累积损伤主要来自于风机运行工况,开机、关机以及故障工况的贡献较小但不应忽视;与湍流风相比,采用定常风进行浮式风机系泊系统疲劳分析将得到偏于危险的结果。建议在系泊系统设计阶段充分重视系泊缆材质的选择,采取湍流风模型开展系泊系统的疲劳设计以保证浮式风机运行安全。

水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调及驱动力分析

为加深对我国水资源、能源、粮食、生态系统协同演变趋势的认识,构建水资源-能源-粮食-生态多维系统指标体系,运用耦合协调度模型对我国2005—2020年水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调度进行评价,并采用多因素归因分析法进行驱动力分析。结果表明:我国水资源-能源-粮食-生态系统耦合协调度从2005年的0.55增长到2020年的0.84,各地区耦合协调度从勉强协调发展水平过渡到中级协调发展水平,各子系统对耦合协调度上升的驱动分别经历了由粮食子系统到生态子系统再到水资源子系统主导的过程;能源子系统的贡献率虽然比较小,但是未来可能是各地区提升水资源-能源-粮食-生态系统多维系统协调发展水平的突破口。

基于ANSYS的简支梁车-桥-支座耦合动力响应分析

为准确模拟车辆过桥产生的振动,应考虑支座弹性作用的影响。结合分离法与汽车动力学原理,分别建立车辆、桥梁和支座的计算模型并通过位移协调关系和力的平衡关系进行车-桥-支座耦合。基于ANSYS中APDL语言,以30 m简支箱梁桥为算例研究桥面不平整度、支座刚度和阻尼对车-桥-支座耦合动力响应的影响。结果表明,桥面平整度越差,车辆行驶过程中对桥梁产生的冲击力越大,激发桥梁的动力响应越剧烈;适当增大支座刚度能有效降低桥梁动挠度,减弱振动响应;支座阻尼具有耗能作用,增大支座阻尼对削弱桥梁加速度响应有明显的效果;在设计桥梁支座时,应适当增大支座刚度和阻尼来削弱车-桥-支座耦合振动对桥梁的冲击作用。

基于空气动力-水动力耦合的新型半潜式海上风机动力响应分析

本文概念性地设计一种新型半潜式海上风机基础,分析基础的水动力系数和幅频运动特性。提出一种基于SESAM-FAST-ORCAFLEX软件的风机-基础-系泊系统全耦合模拟方法,考虑二阶波浪力和粘性阻尼的作用,对风机系统进行空气动力-水动力时域耦合分析,并研究风浪入射角对运动响应和系泊力的影响。结果表明:新型半潜式风机基础具有良好的运动性能,在横荡、垂荡、横摇和纵摇方向上较现有型式有大幅的提升;风浪入射角对运动响应和系泊力有明显影响,在纵荡、横荡、横摇和首摇方向上动力响应受入射角的影响较大;同一工况下,系泊力随着入射角度的增大而增大,极端工况下系泊力最大值是工作工况的2.5倍,在系泊系统设计时需要重点关注。

水介质对高速铁路车-桥耦合系统动力响应的影响研究

在列车运行过程中,水介质条件下导致的轮轨低黏着会直接影响列车的牵引、制动和曲线通过能力,尤其是高速列车,同时对桥梁动力响应产生影响。为保证高速动车组的安全运行,有必要就高速轮轨黏着对车-桥动力响应的影响展开详细的研究。以高速铁路动车组和混凝土简支箱梁桥为研究对象,基于ANSYS软件建立的桥梁结构有限元模型和SIMPACK软件建立的车辆模型及轮轨模型,通过车辆和桥梁子系统之间的相互关系建立考虑水介质作用下32 m桥跨下的车-轨-桥耦合振动联合仿真模型。采用改进的MJP-40型微型控制摩擦磨耗试验机展开室内试验,测得所需要的干、水介质条件下的轮轨黏着系数。将德国高速低干扰轨道不平顺谱生成的轨道不平顺样本作为车-桥耦合系统的初始激励源,选取车体振动加速度、轮对横移量、脱轨系数和桥梁动力响应(位移和加速度)作为评价指标,通过数值模拟仿真分别在不同车速和黏着系数条件下对高速铁路桥梁动力响应及桥上列车运行安全的影响进行研究。研究结果表明:干摩擦工况下,车-桥系统动力响应随着行车速度提高而增加,但均在现有规范限制内;与干摩擦工况相比较,水介质条件下的轮-轨黏着系数最大降低约52.6%,水介质条件下的低黏着系数会降低车辆振动加速度、脱轨系数和桥梁横向振动加速度。

双水平井开发非均质地热储层的热-水动力研究

地热资源是双碳背景下潜力巨大的可再生能源,本研究针对孔隙型地热储层建立了一种井筒-热储中热-水动力耦合模拟的双水平井开发模型。该模型将热储在纵向上划分为渗透率和孔隙度不同的三个小层,每层中的渗透率在对应范围内随机分布,并采用多物理场耦合的方式模拟工作流体的渗流换热过程。结果表明:增大注采水平井之间的间距均不利于采出井温度的保持,模拟条件下注采井在平行和垂直于井筒方向的最优间距分别为1000m和400m;在高渗透层和低渗透层分别布置注入井和采出井可以提高热储整体的开发比例,但是采出井筒温度下降较快,反之采出井筒可以维持较长时间的高温,但是热储整体开发比例很低。

海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

基于一维水动力-水环境耦合模型的长兴港生态流量研究

【目的】长兴港是太湖流域重要的城市河流,对其开展生态流量研究并确定合理的生态流量管控值,对保障长兴港水生态环境健康、提高当地人民群众幸福指数具有重要意义。【方法】以长兴港新塘断面2016—2020年的逐月水生态监测数据为对象,明确了长兴港非汛期、汛期的水环境约束指标;并基于MIKE 11软件,构建了一维水动力-水环境耦合模型;从保障水生态环境质量、缓解水华爆发的营养条件的角度出发进行了生态流量研究。【结果】结果显示:长兴港非汛期约束指标为NH_(3)-N、COD_(Mn)和BOD,汛期约束指标为NH_(3)-N、TP和COD_(Mn);通过对比实测数据与模拟数据可知,水位、流量的模拟值与实测值间的Re均小于10%,R^(2)和Nash-Suttcliffe系数分别大于0.6和0.9,各时期的水环境主要管控指标的模拟值与实测值间的Re均小于17%;最终计算得到长兴港非汛期和汛期合理的生态流量管控值分别为2.59 m^(3)/s和2.63 m^(3)/s。【结论】结果表明:研究构建的一维水动力-水环境耦合模型符合长兴港的实际情况,能够应用于长兴港生态流量研究,可以解决水动力和水环境模块单独使用不能表征河流特点的问题,为河流生态流量的研究和管控提供了更为科学、高效的工具;研究提出的生态流量管控值具有可达性,可切实有效地改善长兴港水生态环境、抑制水华爆发并为长兴港的生态流量管控和“幸福河”构建等工作提供理论与技术支撑。

浮式风机系统水-气动力耦合分析方法

将浮式风机系统中浮体的水动力分析模块与风力发电机的空气动力分析模块整合,提出了适用于深水浮式风机系统的全耦合动力响应分析方法.浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块.以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法.通过对某SPAR风机系统在随机海况下进行了系统水动力响应分析,并与现有的三维势流理论的结果进行了比较,验证了数值分析方法的有效性.最后,对系统的动力响应进行了水-气动力的全耦合数值分析.结果表明,该方法能有效地分析浮式风机各子系统间的混合动力作用,可用于海洋风电系统开发.

增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明:经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m^(3);提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。

海上浮式风机气动力-水动力耦合分析研究进展

近年来,海上浮式风机受到了越来越多的关注.相比陆上风机,海上浮式风机承载着更加复杂的环境载荷.本文针对海上浮式风机气动力-水动力耦合分析问题,对风机的气动力载荷计算、浮式基础的水动力载荷计算,以及浮式风机系统在风浪流联合作用下的气动力-水动力耦合分析等方面,分别进行了研究方法及研究现状的介绍,同时简要分析了海上浮式风机的发展趋势及面临的问题和挑战.

考虑墩-水耦合作用时桥墩动力反应分析

本文研究了考虑墩-水耦合作用下的桥墩动力特性以及地震响应特性。利用ANSYS有限元软件,采用Morison方程法和流体单元法考虑墩-水流固耦合作用,对不同淹没深度的桥墩进行动力特性分析和地震动时程分析,对比分析结果表明:考虑墩-水耦合作用,桥墩弯曲自振频率降低,降低幅度随着桥墩淹没深度的增加而增大;验证了Morison方程法在深水桥墩模态分析和地震响应分析中的有效性;由于墩-水耦合作用,桥墩的墩顶位移和墩底内力响应均有显著增大。因此对于位于深水中的桥梁,在进行抗震设计时考虑墩-水耦合作用是非常必要的。

台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器(MCT)建立中尺度台风-浪-流(W-S-F)实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明:建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10^(6)量级,基底弯矩最大达5.2×10^(8)量级。

基于水动力耦合模型的洪水影响分析

洪涝灾害是发生频率高、危害范围广、对国民经济影响最为严重乃至威胁人类生存的自然灾害之一。洪水的产生、汇集和演进是一项复杂的时空变换过程,如何快速理解并直观显示洪水活动及其影响,更好地为城市布局及工业园区规划提供科学决策尤为重要。该文以水文学原理为基础,结合洪水特征及其影响因素建立水动力学耦合模型,进行洪水分析计算,提出不同场景下的洪水时空分布与动态演进历程,对提升洪水预测预警、灾害区划精度、应急救灾管理及风险防控具有重要指导意义。以沭河流域洪水为例,结合洪水调度过程,分析城市工业园区所受的洪水风险及其影响,为规划选址提供科学决策依据。

基于水动力-力学耦合的海绵城市渗蓄水风险预测

海绵城市主要功能是实现雨水控制目标,但海绵城市在渗蓄水时会导致地面沉降等一系列地质问题。采用Terzaghi固结理论与GMS软件计算地下水流场相结合,形成水动力-力学耦合模型,模拟计算海绵城市渗蓄水时对地质环境地面沉降影响。海绵城市在降雨模式下,降雨强度大,降雨历时长对地面沉降影响较大;在渗蓄水多个回合后,对地面沉降影响最大。海绵城市透水铺张层和下垫层一定要考虑渗蓄水的风险,必须经过预测与评价使沉降值控制在不产生破坏的范围内。下垫层的土体强度不符合海绵体渗蓄水功能要求时,需采取措施加固。

堆积体边坡动力响应离散-连续耦合分析

西南地区特殊的地质结构以及人类工程活动及自然气候因素影响造成该区域滑坡地质灾害分布较为集中,针对该地区滑坡的发育规律与稳定性开展研究显得尤为重要。以某大型堆积体边坡为例,采用离散-连续耦合方法对该边坡的动力响应特征进行了探讨。结果表明:当地震强度逐渐增大时,堆积体前部首先发生滑动,边坡后援开始出现拉应力;随着强度进一步增大,滑坡出现整体失稳。且通过离散-连续耦合方法进行边坡动力分析是一种可行的方法,能够体现出岩体在大变形下的破坏形态。该方法可以为之后学者研究边坡动力响应问题提供借鉴。

基于一维和二维动态耦合FLOOD水动力模型的漓江洪水风险分析

基于漓江干流及两岸地形、断面数据,构建一维和二维动态耦合FLOOD水动力模型,并对模型率定与验证。模拟漓江天然洪水和考虑漓江上游水库联合调度作用下两岸淹没情况,对漓江干流两岸洪水进行风险分析,为漓江流域精准预报、水库防洪调度、预警、效益分析打下坚实基础。

非饱和土干缩开裂分析的近场动力学模拟

非饱和土失水收缩变形是一种水力耦合现象,其诱发的开裂问题严重削弱了土体的水力和力学特性,造成各种潜在的自然灾害.相对于饱和土体,非饱和土的失水收缩机制更为复杂,受到广泛关注.为此,提出了一种考虑水-力耦合作用效应的键型近场动力学(PD)模型,探究由于水分变化引起的非饱和土体变形开裂特征.在该模型中,非饱和土扩散方程由近场动力学微分算子进行重构,键型近场动力学运动方程采用改进的微弹性模量.然后提出了一种显-隐式混合算法,扩散方程采用显式差分格式求解,运动方程采用隐式整体格式求解,有效避免了两类方程在同一显式格式下时间步不协调的问题.通过非饱和土块干燥收缩变形和三维土盘干燥开裂的算例分析,验证了模型和算法的有效性.研究结果表明,所建立的模型和算法能较好地捕捉非饱和土失水收缩开裂的过程.

高速磁浮车-桥耦合振动控制参数影响分析

磁浮列车悬浮系统控制参数取值不当可能导致车-桥系统异常振动.因此,明确悬浮系统控制参数与磁浮车-桥系统动力响应之间的关系十分重要.首先,建立包含比例-微分控制的5节编组磁浮列车动力学模型和20跨简支梁桥有限元模型;其次,与实测结果进行对比验证所建立模型的正确性;最后,计算车速430 km/h时不同控制参数下列车和桥梁的动力响应.结果表明:增大比例系数会使悬浮和导向系统刚度增大,增大微分系数会使悬浮和导向系统阻尼增大;车体竖向加速度随比例和微分系数的增大而增大,车体横向加速度随比例系数的增大而增大;悬浮间隙和桥梁竖向加速度均随比例系数的增大而减小,随微分系数的增大而增大;导向间隙随微分系数的增大而减小,比例系数对导向间隙的影响较小;桥梁横向加速度随比例系数的增大而减小,随微分系数的增大而增大;桥梁竖向加速度主要受电磁力中悬浮电磁铁长度特征频率1倍~12倍频的影响,桥梁横向加速度主要受导向磁极长度特征频率及其2倍频和导向电磁铁长度特征频率2倍频及4倍频的影响;为减小车-桥系统动力响应,综合建议竖向比例和微分系数的取值范围分别为3000~4000和10~25,横向比例和微分系数的取值范围分别为4000~5000和10~25.

气-膜耦合作用对充气薄膜管动力特性的影响

充气薄膜管属于柔性结构,荷载作用下产生的变形,会引起其内压改变,进而导致外围薄膜刚度的变化,对其变形产生重要影响,表现出内充气体压力与外围薄膜变形相互耦合的特点。该文采用有限元方法分析气-膜耦合作用对充气薄膜管动力特性的影响及其随影响因素的变化规律。通过将内充气体看作小扰动线性势流以考虑气-膜耦合作用以及内充气体附加质量的影响;通过建立内充气体的三种等效模型,分别将内充气体作用等效为外围薄膜静力边界条件、考虑内充气体附加质量影响的静力边界条件以及小扰动线性势流体,并将其相应的有限元分析结果进行对比,研究气-膜耦合作用和内充气体附加质量对充气薄膜管自振特性的影响及其随初始内压、长细比、膜厚以及端部约束类型的变化规律。研究结果表明:气-膜耦合作用以及内充气体的附加质量对低阶自振模态没有明显影响;气-膜耦合作用对自振频率有较显著的影响作用,而内充气体附加质量的影响则较小;随初始内压和长细比的增加,气-膜耦合作用对频率的影响体现出因阶次不同而不同的变化规律;气-膜耦合作用对频率的影响随膜厚的增加而降低,随约束程度的减弱而增强。该文的研究成果揭示了气-膜耦合作用对充气薄膜管自振特性的影响规律,有助于深入认识充气薄膜管的动力行为,确保其设计计算的合理性和可靠性。