基于CFD方法的FPSO的波浪荷载和运动响应研究

针对浮式生产储油船(Floating production storage and offloading, FPSO)在深水作业时面临的恶劣海况问题,为保证其服役期间的安全性及作业效率,需要准确计算非线性波浪荷载和运动响应。本文应用基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)的软件STAR-CCM+建立了针对实尺度FPSO模型的数值水池,基于Richardson外推法,针对时间步长和网格尺寸,分析了二者的收敛性和数值不确定度。使用该数值水池模拟了不同波浪工况作用下FPSO的运动响应,计算其受到的二阶波浪力,并与势流结果进行对比。结果发现,随着波陡增大,平均波浪力的CFD结果逐渐大于势流结果,且呈现差异化增大。而波陡大于1/15时,纵摇的CFD结果明显大于势流结果。说明大波陡条件下,黏性效应对平均波浪力和纵摇影响明显,为恶劣海况下预报及修正FPSO的二阶波浪力和运动提供了参考。

COSINE两流体八方程子通道程序湍流交混与空泡漂移模型有效性验证

COSINE是我国自主研发的核电厂堆芯与系统安全分析的一体化软件包,其中子通道程序cosSubc-2F采用两流体,三相场(连续液相、液滴相和气相)的建模方法,除了连续液相和液滴相共用一个能量守恒方程外,其余各相均包含质量、动量和能量三个守恒方程,共计八个独立的守恒方程。在子通道程序中,燃料组件被划分为一定数目的平行子通道,这些通道并不是封闭的,它们之间由于压力梯度等因素的影响发生着流体的质量、动量和能量交换。作为通道间相互作用的关键模型,湍流交混与空泡漂移模型对于子通道程序模拟结果的准确性十分重要。文章详细介绍了子通道程序cosSubc-2F中的湍流交混与空泡漂移模型机理,选取一系列实验进行测试,程序中湍流交混与空泡漂移模型有效性得到了充分验证,并通过结果的对比分析,为模型的开发优化提出建议。

不同护栏透风率下桥面雪飘移的数值模拟

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,对典型桥梁断面上的雪飘移进行了数值模拟,得到桥面上风致积雪的重分布。为验证该文数值模拟方法的正确性,以平屋面风吹雪为案例,将该文数值模拟方法得到的结果与风洞试验结果进行了对比。在桥面雪飘移的数值模拟过程中,考虑了桥梁护栏的影响,对比分析了不同护栏透风率下桥面风致积雪重分布形式。研究发现:当护栏透风率大于50%时,桥面上不会出现显著的积雪沉积;当护栏透风率小于50%时,桥面护栏附近出现了较显著的积雪沉积,且在迎风端护栏的背风侧沉积最大。为减小桥面风致积雪堆积对交通的不利影响,建议在桥梁设计时采用高透风率的护栏。

新型堵口装置抛投过程中纵向漂距的数值模拟及试验

介绍了一种新型装配式快速堵口装置,其可用于形成临时坝体结构来解决堤坝决口的封堵问题。受水流的影响,堵口装置在抛投过程中会沿纵向移动一定的距离,这将对堵口装置的排列及形成稳定的坝体结构产生不利影响。对此,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)建立了堵口装置下落过程的三维数值计算模型,并通过模型试验对其合理性和有效性进行了验证。然后,研究了水深、流速、装置质量等因素对堵口装置纵向漂距的影响。数值计算和模型试验结果表明:堵口装置的纵向漂距随流速、水深增大非线性增大,随质量增加非线性减小;当处于同一入水深度时,堵口装置在浅水条件下的水平位移较深水条件下的更大。

换热直管内外流诱导振动频率漂移特性

采用二维圆柱绕流模型,得到换热直管在较大范围雷诺数的横掠外流场作用下的升力和阻力函数,将其作为激励,同时考虑管道在非定常流动中的附加质量,建立了一种改进的内外流固耦合计算模型.计算结果表明:横掠外流带来的附加质量会导致管道固有频率的漂移,雷诺数也会影响外部激励的频率.由于内流雷诺数也会影响管道的固有频率,因此在特定的内外流共同作用下管道可能发生共振.本模型可以预测发生共振时内外流雷诺数的范围,为合理设置内外流的安全运行工况提供理论依据.

气流辅助式喷雾工况参数对雾滴飘移特性的影响

采用三维流场的多相流计算流体力学模型,研究雾滴在自然风影响、辅助气流胁迫和自身重力作用下在连续相和雾滴粒子群离散相耦合的交互作用,并分析了不同工况参数对雾滴漂移特性的影响。结果表明:增大风筒气流出口速度,可以胁迫雾滴向靶标运动,减少雾滴飘失率。当喷嘴流量较小时,雾滴飘失率变小的趋势最为明显。然而喷嘴流量过大时,雾滴整体抗飘失能力显著下降。辅助气流的喷雾角对减少雾滴飘失相对于自然风速、辅助气流风速没有显著的影响。

沿面型介质阻挡放电的数值仿真计算

沿面型介质阻挡放电因较平行板介质阻挡放电能产生均匀的较大面积等离子体层和在流动控制等新技术中的突出应用而得到学术界和应用界的广泛关注。为更好地研究和揭示沿面型介质阻挡放电的放电机理与演化规律,利用Comsol软件的等离子体模块对大气压空气中该放电进行二维数值模拟。考虑空气放电时O2-、N2-、O2+、电子等8种粒子及16种放电粒子化学反应,得到了放电过程中粒子浓度变化过程与放电空间的电场分布。分析讨论放电起始阶段电荷的运动情况后表明,电子在起始阶段主要受电场控制以漂移运动为主,其后在扩散和漂移的共同作用下分布范围不断扩大。验证分析放电的不对称性并与实验结果相对照后,指出正是由于表面电荷的积累导致了放电的不对称性。

立方体模型周边风致积雪飘移的数值模拟

基于两相流理论模拟立方体周围的积雪飘移.采用各向异性的雷诺应力模型(RSM),通过改进动量方程和湍流方程的源项来考虑雪的浮力和惯性力对风(空气相)的影响.以立方体模型为研究对象,首先将改进模型计算的表面风压分布与实测结果进行了对比,接着把改进模型的雪飘移计算结果与未改进模型的计算结果、实测结果进行了对比.结果显示,改进后模型的模拟结果与实测结果更加吻合,立方体模型周边雪颗粒的沉积侵蚀趋势表现一致.在立方体迎风侧的前方区域及两侧气流分离区出现了明显的侵蚀,紧靠背风侧后方区域出现了沉积.

基于层间位移利用率法修正消能减震结构的附加阻尼

详细分析了悬臂墙式黏滞阻尼器层间位移利用率(阻尼器位移与楼层位移之比)中阻尼器位移的三个组成部分,即楼层位移、梁柱节点转动、悬臂墙自身变形所引起的阻尼器位移。推导了层间位移利用率与阻尼器布置位置和消能子结构梁柱刚度比两个参数之间的关系,并采用与这两个参数相关的修正函数来考虑仿真模拟中较为繁琐的阻尼器动刚度问题,得到实用的层间位移利用率计算公式。研究结果表明:层间位移利用率在阻尼器靠边布置时小于1,居中布置时大于1,且布置越接近梁跨中层间位移利用率越大;随着消能子结构梁柱刚度比的增大,层间位移利用率在阻尼器靠边布置时增加,居中布置时减小,即都更接近于1;层间位移利用率越大,达到同样期望附加阻尼比所需的附加阻尼越小,体现出更好的经济性。最后,通过工程实例充分地验证了该减震设计方法的正确性与实用性。

海上溢油跟踪定位浮标参数分析及技术优化研究

为提高溢油浮标跟踪海上溢油油膜的精度,基于溢油浮标跟踪油膜的水动力学机理,对溢油浮标的尺寸、重量、海域位置等参数进行分析及优化,研究表明,可以根据浮标应用地理位置、海况及溢油油膜本身的性质,有针对性地选择最优的浮标设计参数,以提高溢油跟踪预测的准确性。

大庆调整井测声变遇阻原因分析及对策研究

测声变遇阻是指在测井过程中,套管内钻井液受内因或外因影响而性能恶化、稠化沉积,从而造成声变测井仪器下行过程中遇阻的现象。大庆地区所钻调整井在测井过程中,测声变遇阻情况时有发生,严重影响了固井周期和固井质量,造成很大的经济损失。确定了造成大庆调整井测声变遇阻的原因,并且研制出了HT提切剂,HT提切剂同时具有抗水泥浆污染的功效。对于已遇阻井,通过优化筛选通井设施,使通井后的固井质量不受影响。

单跨单坡屋面积雪分布系数分析

为真实反映单跨单坡屋面的积雪分布情况,给出较为合理的积雪分布系数,通过单跨单坡屋面积雪现场调查,分析了《建筑结构荷载规范》中屋面积雪分布系数的取值问题。采用FLUENT软件分别建立了坡度角为25°,30°,35°,40°,45°和50°的单跨单坡屋面的低立面和高立面迎风的风致积雪分析模型。分析表明,在屋面两侧和下坡处积雪较多,上坡处积雪相对较少。低立面迎风时,坡度角的变化对屋面风速大小与角度的影响都较小;高立面迎风时,涡流范围覆盖整个高立面后方区域。涡流随着屋面坡度角的增大而逐渐增大,因而屋面上部不易形成稳定的积雪带。与《建筑结构荷载规范》相比,屋面积雪分布存在明显的差异,通过分析给出了单跨单坡屋面积雪分布系数的建议。

流冰对输水明渠混凝土衬砌的撞击影响

为研究西北寒冷地区长距离输水工程中流冰对输水明渠的撞击影响,该研究运用LS-DYNA软件模拟不同工况下流冰与输水明渠碰撞挤压过程,并通过室内模型试验进行相应验证,探求水-空气耦合介质中流冰碰撞输水明渠的破坏规律。结果表明:流冰速度对明渠衬砌撞击的最大等效应力与X方向最大位移呈现出近似的Pseudo-Voigt函数峰值曲线关系。流冰压缩强度对明渠衬砌撞击的最大等效应力与X方向最大位移呈现出近似的线性关系。综合分析所模拟的不同组合工况可以看出,对明渠衬砌撞击影响明显的组合区间是流冰压缩强度为1.825~3.199 MPa、流冰速度为3.5~4.5 m/s时的组合情况,其等效应力值为4.3~16.8 MPa、X方向最大位移值为2.59×10^(-5)~5.52×10^(-5) m;对明渠衬砌撞击影响最大的双因素组合是流冰压缩强度为3.059 MPa、流冰速度为4.0 m/s的组合情况,其等效应力值为16.8 MPa、X方向最大位移值为5.52×10^(-5) m;对明渠衬砌撞击影响较为不明显的组合区间是流冰速度为0.5~1.0 m/s、压缩强度为1.825~2.375 MPa时的组合情况,其等效应力为0.7~2.8 MPa、X方向最大位移为0.24×10^(-5)~0.52×10^(-5) m。同时,模拟值与试验结果基本吻合,表明所采用的数值模拟仿真模型准确可靠,其结果可为寒冷地区冬季输水工程安全运营提供帮助。

不同粒径组合块石群水下漂移数值模拟

抛石漂移是河道治理、护岸、潜丁坝、桥墩防冲等实际工程中经常遇到的问题.针对抛石颗粒在水中的漂移,采用计算流体力学(CFD)与离散元方法(DEM)耦合的方法,建立了颗粒流数值模型,并采用物理模型试验结果对数值模型的正确性进行验证.为研究级配对块石群水下漂移的影响,对不同粒径组合的块石群抛石漂移进行计算,对块石群在底床上的落点分布形态和扩散范围、漂距、分布面积等进行分析.计算结果表明,同一规格的块石群,其级配组成的均匀性和连续性越好,平均漂距和分布面积越大.

首都国际机场3号航站楼屋面雪荷载分布研究

采用两相流理论模拟风荷载雪漂作用,认为空气相和雪相的关系为单向耦合,雪在风(空气相)的作用下发生漂移.对通用计算流体动力学软件FLUENT进行了二次开发,计算了在风作用下积雪发生迁移后屋盖表面的雪压分布,并对雪荷载改变量以及雪压分布的规律进行了分析,为结构设计提供了依据.

液态CO_(2)注入剖面测井工艺探索

液态CO_(2)的特殊性导致其注入剖面测井施工困难。针对液态CO_(2)注入剖面测井工艺复杂、施工难度大和危险系数高等难点,提出了技术对策。通过创新高压密闭工艺、隔离液预置工艺、通井工艺和辅助工艺,解决了相关施工工艺问题。改进的液态CO_(2)注入剖面测井工艺流程合理、可靠,施工安全、高效和便捷,应用效果好。

半柔性悬挂减振结构振动台试验研究

通过对设置黏滞流体阻尼器的半柔性悬挂结构进行地震模拟振动台试验,分析了主结构与悬挂楼面的质量比、连接方式、阻尼器的分布和层间斜撑对悬挂结构动力特性和响应的影响。试验结果表明:采用阻尼器连接主结构和悬挂楼面,可改变结构频率和振型阻尼比;当悬挂楼层侧向刚度较小时,结构振型表现为柔性层与悬挂楼面的耦合剪切变形;当增设斜撑后,结构第一振型为柔性层的层间变形;阻尼器连接时模型的主结构地震响应小于刚性连接的普通悬挂结构,通过增设斜撑可进一步提高减振效果;与自由悬挂结构相比,采用阻尼器连接的悬挂减振结构能够较好地抑制悬挂楼面相对于主结构的位移和悬挂楼面的层间位移;设置斜撑后,能够进一步减小悬挂楼面的层间位移,同时弱化了阻尼器不均匀对减振效果的影响。

富水大断面黄土隧道开挖流固耦合效应分析

兰州市轨道交通1号线东岗站后配线区间大断面隧道洞身黄土层含水率达到28.5%左右,饱和度达95%以上,施工中会诱发初期支护沉降变形过大、围岩长时间难于稳定等复杂问题。文章根据室内土工试验数据,建立三维有限元模型,基于流固耦合和不耦合效应,分析对比了富水大断面黄土隧道采用CRD法和双侧壁导坑法施工时的初期支护受力和变形特征、地表沉降及孔隙水压力场分布特征。结果表明:在该地层条件下,考虑流固耦合作用较不考虑流固耦合作用,地表沉降、初期支护竖向和水平位移无论是增长速率还是最终值都要大,后期无明显减小,且更接近现场实测值,但两者作用下的初期支护受力变化不大;基于流固耦合效应,采用CRD六部法在地表沉降和隧道变形控制效果方面更加有利,两种工法初期支护受力数值近似,但分布形式不同;流固耦合作用下,地下水水力梯度较大的地方主要位于隧道边墙和仰拱,施工时易发生渗漏,同时应做好拱部喷混凝土密实和回填注浆等,防止渗流场发生转移。

矿山通风巷道风门后的风速分布特性研究

为了提高矿山通风巷道障碍物后风速测量精准性,依据障碍物对风流分布的理论分析,以某矿山含卷帘式风门巷道段为例,采用计算流体力学方法研究了进口风速、风门开合程度和粗糙度对风速分布特性的影响。结果表明,风门后流场存在空腔区及尾流区,与理论分析一致;井巷通风安全规程内风速(1~6 m/s)改变对风速分布无明显影响;风门开合程度减小,空腔区风速波及范围增大;增加粗糙度使巷道内风速减小,风速分布沿巷道方向出现分层;传感器距风门距离大于9H(H为障碍物高度)时,可摆脱空腔区影响,距离大于35H时,测量风速可达到进口风速的90%;传感器距粗糙顶壁的距离大于2R(R为粗糙度)时,测量风速可达标准值约90%。

两相流动模型在气液旋流分离器中的应用

建立能正确描述旋流分离器内部气-液两相强旋湍流流动状况的机理模型,为气液旋流分离技术提供可靠的工程设计理论计算公式,是当前气液旋流分离技术的工程应用迫切需要解决的问题。本文对气液两相流动机理模型的发展概况及其在气液旋流分离技术中的应用前景进行了理论分析,将拟颗粒模型与颗粒轨迹模型、漂移流动模型相结合是今后建立气液旋流分离流动机理模型的发展趋势。