风浪流单独及耦合作用下15 MW级浮式基础动力特性研究

了解风浪流等环境荷载效应对浮式基础设计及优化至关重要,为此,以15 MW级漂浮式基础为研究对象,系统性定量分析风浪流环境荷载单独及耦合作用下对浮式基础运动及系泊系统受力的影响。首先,以INOWINDMOOR 12 MW和TaiDa 15 MW浮式基础为原型设计新的15 MW级浮式基础,并在ANSYS-AQWA建立水动力分析模型,风力荷载及海流荷载通过风力系数、流力系数添加;其次,针对风浪流等环境荷载单独及耦合作用下浮式基础运动和系泊受力等特征开展分析。结果表明:浮式基础运动及系泊受力主要受风力和流力的影响,波浪会加剧浮式基础运动及系泊受力的往复性,并加大运动幅度及系泊受力;流荷载对浮式基础运动及系泊受力影响较大,特别是风、浪与流耦合作用时会导致系泊受力明显增加,实际工程设计时,流荷载应给与重点关注。

风浪流耦合场下EIMD-斜拉桥的半主动控制方法

为了减少斜拉桥过大的振动响应,本文根据新型电磁惯性质量阻尼器的优点,以双塔双索面钢箱梁斜拉桥模型为算例,提出基于新型电磁惯性质量阻尼器斜拉桥半主动控制方法,并对其进行仿真分析,以主梁跨中节点的动力响应特性为控制目标,验证了文中方法的有效性。研究结果表明:相较于线性二次型调节器的主动控制方法,文中的半主动控制方法的斜拉桥位移控振率为77.3%,加速度控振率为64.3%,控制系统的外部能量需求有所降低,阻尼系数控制在由新型电磁惯性质量阻尼器提供的合理范围内,能实现更优的控制效果。文中方法可为斜拉桥在复杂环境下的系统控制提供理论参考。

半潜漂浮式风机载荷及运动响应敏感性分析

为研究漂浮式风机在海洋环境作用下载荷及运动响应的参数敏感性,对OC4-5MW半潜漂浮式风机模型进行了气动-水动-系泊一体化时域动态仿真,对比分析了风机位移、倾角、加速度及塔筒载荷在关键极限停机工况下受到风、浪、流载荷及偏航等多个因素影响的响应规律。结果表明:采用中心式风机设计的机头朝向变化对结构不平衡影响可忽略,但基础安装方位应避开纵荡与风浪主频方向夹角60°~120°范围,开启偏航对风或背风控制有利于降低整体倾角、机舱加速度和塔底载荷;风浪方向夹角的影响缺乏明显规律性,设计时应充分考虑0°~90°夹角范围。波浪高度对所有观察变量的影响均较明显,风机上部对波浪高频区更敏感,但基础对低频区更敏感。机舱加速度受浪流影响较大,受风载影响较小;基础加速度对参数相对不敏感。

海上风电场工程海流设计流剖面计算模型研究

为满足海上风电场工程设计与建设需要,研究合理可靠且简单易行的海流设计流剖面计算方法十分必要。基于海流成因及组成项分析,本文提出采用潮流、风海流与设计波生流的矢量求和,并考虑综合安全系数的海流设计流剖面计算模型。风海流由季节性的盛行风持续吹拂海面形成,波生流则由大风引发大浪生成。波生流分层流速计算采用基于Stokes二阶波的非周期性项Russel-Osorio修正式,适用于海上风电场所在的深水区及绝大部分过渡区,由其参与组成的海流不会对波流共同作用下的波浪荷载重复计量。根据工程海域水文气象条件经分层计算组成设计流剖面,可避免简单流剖面模型的经验性与任意性。研究结果有利于合理确定海上风电场及类似工程的海流载荷与基础冲刷的水动力条件。

风浪流载荷下大型海上平台拆解装备起重作业数值模拟

文章以从事大型海上平台设施拆解、安装作业的海洋工程起重船为例,研究超大型海洋工程起重船在风浪流载荷下的运动特性,通过频域分析得到船舶在波浪载荷下运动响应幅值,进而进行时域分析,得到风浪流载荷下的起重作业动态参数。结果显示,起重船提升大型海上设施时,风浪流引起的船舶运动和起重机载荷动态变化均小于起重机设计能力,在设计工况下大型起重机的作业可行性得到验证。

台风作用下杭州湾跨海铁路大桥嘉甬通道海域风浪流特性分析

杭州湾跨海铁路大桥嘉甬通道所在海域台风频发,研究并明确台风期间风浪流参数特性对于保障跨海桥梁安全具有重要意义。首先,调研该海域的台风灾害、地形信息;然后,基于参数风场及波-流耦合数值模拟软件,计算对该海域产生严重影响的47条历史台风期间的风浪流参数;基于此对风浪流场的分布特征及风-浪、风-流、浪-流间关系进行讨论。台风期间研究海域风、浪场分布具有一定相似性;不同样本选取方式拟合出的风-浪关系存在差异;在相同风环境下,越靠近外海、水深越大,波高越大;Clayton copula能较好地描述风-流、浪-流联合分布,当概率密度为0.01时,计算得到风-流参数组合中最大风速为34.75 m/s,最大流速为1.87 m/s,浪-流参数组合中最大波高为6.43 m,最大流速为2.08 m/s。研究表明,为获取更真实的环境参数,设计时需充分考虑环境变量间的相关性。

考虑RNA运行作用的近海风电结构TMD振动控制研究

为探究风轮-机舱组件(RNA)运行作用对近海风电结构调谐质量阻尼器(TMD)振动控制的影响,以NREL 5 MW单桩风电塔为对象,基于风-浪-流-RNA运行耦合的近海风电结构分析模型,通过定点理论对风电塔架一阶频率设计TMD参数。结合RNA控制策略下风电机组的时变振动特性,分别研究TMD对近海风电结构塔顶前后向及侧向动力响应的控制机理。结果表明:由于前后向与侧向动力条件的不同,TMD无法有效控制塔顶前后向振动,但可显著抑制塔顶侧向振动响应。

台风-浪-流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

为揭示海上台风-浪-流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性,以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象,采用Model Coupling Toolkit(MCT)建立中尺度WRF-SWAN-FVCOM(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,再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片-塔筒-波浪面之间的干扰效应,提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明:建立的中尺度W-S-F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用;塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主,在波浪干扰段以顺风向为主,并在低空波面附近表现出较强的脉动特征;A位置叶片最安全而B位置最危险;T4相位为海上风力机单桩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。

浅海风-浪-流-海床耦合场非定常时空演化规律及评价指标

浅海地区海床地貌与波浪场、海流场和风场之间存在很强的实时耦合作用,现有分析模型无法直接考虑海床的影响因素,更难以解释典型海床地貌与海浪、剪切流和梯度风耦合场的非定常演化机理.基于STAR-CCM+平台二次开发,构建了海底平原、海底斜坡、海槽和平坦地貌4种典型海床地貌条件下的浅海风-浪-流数值水池;提出多层质点速度耦合方法并建立了多层风-浪-流耦合模型,在初始时刻即实现了风-浪-流场解耦,对比分析了各海床地貌下波浪场、海流场和风场的时空演化规律;引入主成分分析法对各典型海床地貌下风-浪-流非定常效应进行评价,建立风-浪-流-海床耦合场全生命周期非定常评价指标.结果表明:多层风-浪-流耦合模型能更真实反映垂向风速和流速分布不均匀对波浪场的影响;海床地貌会导致波浪场在演变过程呈多阶段时程分布,其中平坦地貌、海底斜坡和海槽工况共分为波面激增、衰减和稳定阶段,海底平原工况分为外破波、内破波和爬坡阶段;海流场在演变过程呈多段式空间分布,海床导致海流场形成多涡积聚或多涡共存的现象;风-浪-流-海床耦合演化对风剖面指数产生放大作用,海床床面高度与风剖面系数成正比关系;平坦地貌、海底平原、海底斜坡和海槽的演化终期非定常评价指标分别为0.268、4.612、0.672和0.926.

风浪流耦合作用下小型LNG船舶运动响应试验研究

小型LNG船尤其是小型多功能LNG加注船迎来了新的发展空间,在风浪流作用下其运动响应还需要深入研究。以曹妃甸港某LNG码头为例,采取物理模型试验,模拟了风、浪、流共同作用下4万m 3LNG船舶与1.2万m 3LNG加注船的运动响应过程,测量了系缆张力及护舷撞击力。同时针对4万m 3LNG船舶,开展系缆方式优化研究,提供2 a一遇波浪条件下满足规范要求的系泊方案,为工程设计提供依据。

沿岸风和海洋波动在北向索马里流生成中的作用

基于同化资料和数值模式,文章研究了北向索马里流(norward Somali current,NSC)的季节特征和产生机制。NSC在5月开始出现,在8—9月向北延伸至近15°N,并形成一个强盛的反气旋式环流。10月下旬,NSC开始减弱,并于11月消失。NSC由局地沿岸风和东侧西传的海洋波动共同激发。在5—7月,在局地西南沿岸风的协助下,东非沿岸流(EACC)跨越赤道进入北印度洋,形成了NSC。在8—10月,即便无局地西南沿岸风,在来自阿拉伯海东边界的海洋波动和EACC共同作用下,依旧能形成NSC。研究表明,局地沿岸风虽能诱发近岸的环流结构,但NSC关联的影响范围较大的反气旋式环流结构则由西传的海洋波动所激发。

风浪流耦合作用下跨海斜拉桥减振措施

为减小施工期间风浪流耦合作用下跨海大跨度桥梁的不利振动,提出了多种结构性减振措施,针对主跨720 m三塔斜拉桥最不利施工状态,开展了风浪流耦合作用下桥梁动力响应分析,对比了不同减振措施的减振效果,分析了减振措施相关参数对其减振性能的影响规律。结果表明:针对风浪流耦合作用,采用“钢箱梁横桥向倾斜设置临时钢索”的减振措施可以有效抑制主梁端部的竖向位移、横向位移和塔梁交接处箱梁横向弯矩,减振率分别为38.9%、15.1%和49.4%。钢索倾斜角度对减振措施的影响显著,设置较小的倾斜角度时,其减振效果会更好。研究成果为风浪流耦合作用下跨海大跨度斜拉桥的减振措施设计提供了有益参考。

沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究

为研究钢筋混凝土沉管管节在浮态浇筑系泊施工时的稳定性与安全性,对管节建立了仿真模型,并应用势流理论和水动力分析软件AQWA进行了模拟。研究设置两期浇筑模型及4种系泊方案,模拟计算施工的不同阶段在风-浪-流荷载耦合作用下、潮位变化时管节在6个自由度上的运动响应和缆绳张力。结果表明:在浮态浇筑施工中,位移与摇动主要发生在平行于流速方向的纵荡、平行于风向的横荡和以流速方向为轴的艏摇,纵荡的震荡幅度最大。拟定4种系泊方案中,采用六点系泊法的方案三与方案四在模型运动响应中表现较佳,其中包含12条缆绳的方案四可以显著降低管节的运动幅值,施工后期缆绳张力分布更加均匀,未超过安全张力范围,符合工程安全要求,是最佳系缆方式。

基于漂角估计的无人船局部动态避障方法

为了提高无人船局部动态避障的规范性、安全性和稳定性,提出基于漂角估计的无人船局部动态避障方法。首先,根据国际海上避碰规则(COLREGS)选取动态窗口法(DWA)的速度空间;其次,根据预测的障碍物运动状态选择动态窗口法中无人船的无碰预测轨迹;最后,考虑海洋扰动,利用横向位置误差估计漂角,并在无人船的航向上进行补偿。仿真实验结果验证了所提方法的有效性。

海流海浪耦合作用对台风浪影响的数值研究

漂浮式海上风电工程设计对波浪参数等必要环境参数提出了更高的要求。本文针对福建南日漂浮式海上风电场海域建立了高分辨率的海浪-海流耦合数值模型,研究海上风电场区水位和海流对海浪的影响。模拟结果显示,耦合模式所得有效波高更加准确,可以体现水位和流速变化对波高的影响。通过分析台风过程中的浪流耦合作用对海浪模拟结果的影响发现,浪流耦合作用对最大有效波高的影响空间分布差异明显,1307号、1319号、0908号和1617号四次台风过程中,耦合作用对工程区域最大有效波高的影响可达−1.0~1.0 m。对单点的模拟结果分析发现,流向和浪向同向时对浪高有削弱作用,反向时对浪高有增强作用。此外,浪流耦合作用对波向和谱峰周期也有明显的影响,在1319号台风过程中,波向变化可达20°,谱峰周期变化可达2 s。本文论证了采用海浪-海流耦合模式在重现海浪极值中的重要性,对海上工程设计具有参考价值。

近海低碳能源电力产业技术及成本的现状与挑战Ⅰ:现状分析

近海低碳能源是指利用海洋资源,如风能、太阳能、波浪能、潮流能等来生产清洁电力的技术。近海低碳能源技术具有可再生性、环境友好性、经济效益性等优点,是未来海洋经济发展的重要方向。近海低碳能源技术目前还面临着一些问题,主要包括技术成熟度不高、开发成本较高、运维困难、海洋环境影响等。本文以海上风电、海上光伏、波浪能发电、潮流能发电等为主要分析对象,就其发展现状、面临的问题与挑战、未来发展方向进行详细讨论。本篇为第1部分:现状分析,将对海上固定式和漂浮式风电、海上桩基式和漂浮式光伏、多种波浪能发电装备、潮流能发电装备等,分别从技术发展现状、成本管理、规模效应等角度进行综述和讨论,以期为海上低碳电力能源的发展提供参考。

阳江沙扒海上风电三桶吸力桩防冲刷试验研究

通过建立正态物理模型,研究了阳江沙扒海上风电场三桶吸力桩近区海床防冲刷情况。针对吸力桶基础冲刷问题,提出了抛石、沙袋、仿生草等防护措施。结果表明:未实施防护方案时50年一遇桩周最大冲刷深度为2.34 m;实施防护方案后桶周冲刷深度显著降低,其中规则布置沙袋时冲深减小44%,随机布置沙袋时冲深减小32%,抛石防护时冲深减少达74%,而仿生草措施不仅减少了桩周冲刷深度,也促进了附近悬沙落淤,桶周冲深较防护前减小约90%以上。

大型油轮稳泊安全风险分析及对策措施探讨

介绍了大型油轮稳泊主要安全风险类型,分析了大型油轮在停泊作业期间水文、气象、码头结构、油轮设备设施等因素对稳泊安全的影响,并结合多起油轮断缆、漂移事故经验,提出针对性的大型油轮稳泊安全对策措施。

南海深水区风、浪、流多年一遇重现期极值的推算

在充分利用海洋观测和卫星遥感资料的基础上,基于利用数值模拟和资料同化技术构建的南海30年(1976—2005)风、浪、流网格化数据,采用Weibull三参数极值统计模型,推算了南海深水区4个具有一定代表意义区域的风、浪、流多年一遇重现期极值,可为南海深水区油气开发工程的设计和管理提供参考。

海洋工程数值风-浪-流水池模拟及分析

针对海洋工程中风-浪-流三者之间复杂的非线性相互作用,系统研究了风-浪-流相互作用机理。基于不可压缩Navier-Stokes方程,通过对FLUENT软件进行二次开发,构建了三维海洋工程数值风-浪-流水池。将数值水池模拟结果和理论值进行了对比,二者吻合较好,表明所建模型具有较高的精度;借助所建立的数值模型,成功模拟了波浪、波浪-海流以及海风-波浪-海流之间的相互耦合作用。研究结果表明,单独浪-流耦合作用时海流对于波浪运动参数具有较大影响,波流同向时,海流导致波浪传播速度和波长增大,幅值减小;波流逆向时,波浪传播速度和波长均减小,波幅增大,且海流速度越大,波浪参数增大或减小的幅度越明显。风-浪-流三者耦合作用时,风会导致波浪传播过程中波长增大,波幅减小,同时会导致波峰呈现一定倾角,加速波浪发生破碎。本文研究成果可为处于风-浪-流中的海洋工程结构物力学分析提供借鉴。