深海悬垂取水管振动特性研究

深海悬垂取水管的设计趋向于大直径、高内流流速,内流对取水管振动特性的影响不可忽略,分析内部流动引起的管道动态失稳行为以及评估失稳临界流速具有重要工程意义。基于小尺度模型试验,研究内流对深海悬垂取水管道振动特性的影响规律,结果表明:随着内流流速增加,取水管模型会发生动态失稳行为,表现为一种间歇性的近周期运动,该运动主要由管道一阶弯曲模态引起的不稳定性诱导。管道材料、顶端连接方式及底部配重块均影响其动态稳定性,顶端固定连接时质量比小的管道更易发生动态失稳;顶端变为铰接时,质量比大的管道失稳临界流速变小,质量比小的管道失稳临界流速变大。相比顶端边界条件,底部配重块对管道失稳临界流速影响不显著但可以减小其振动幅值。

深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发展过程,探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明:初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小,随着入射质量浓度的增大而增大;初始羽状流入射速度和质量浓度越大,撞击海底后的水平方向流动速度越快,影响区域越广;水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长;当初始质量浓度和速度高于50 g/L和0.5 m/s时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状,影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。

含月池和输运管的深海采矿船水动力特性研究

深海采矿船是未来人类获取深海矿产资源的重要装备,研究其水动力特性具有重要意义。月池和输运管是影响深海采矿船水动力特性的重要因素。以世界上第一艘超深水采矿船“鹦鹉螺新纪元”号为研究对象,基于三维势流理论,分析月池尺寸、输运管长度及内径对采矿船水运动特性的影响。结果表明:月池开口会使采矿船垂荡、纵荡和纵摇运动出现共振峰,峰值随着开口尺寸的增加而增大,其中垂荡运动峰值可增加将近2倍;输运管的存在会明显改变采矿船横摇运动固有周期,增大垂荡运动峰值,降低横摇运动峰值,对横荡和纵荡运动的影响亦较大,当输运管长度为5000 m,内径为0.4805 m时,横荡和纵荡响应峰值能够达到无输运管时的3倍以上。通过探究月池开孔和输运管不同参数对采矿船运动的影响,为深海采矿船月池和输运管设计提供一定的借鉴和参考。

深海采矿水力提升堵塞再启动试验研究

为解决深海采矿过程中颗粒堵塞问题,研究了管道堵塞再启动过程。基于物理试验与理论建模方法,根据管道内颗粒群的运动特点,将堵塞再启动过程划分为不同阶段,给出各阶段管道内的平均体积浓度、局部体积浓度的判断依据,分析颗粒群堵塞高度对管道内压力、流量等影响规律,预测再启动过程中段塞流的流量和压差。试验分析结果表明:矿石堵塞再启动过程可以划分为松动跳跃、段塞流与提升阶段;堵塞堆积高度越大,再启动所需的流量、压力差越大;管道内局部浓度过大易形成段塞流,影响管道输运效率。该分析预报方法为深海矿石输送的堵塞再启动方案设计提供了依据。

基于推进器偏置的半潜式平台动力定位模型试验研究

半潜式平台在进行动力定位作业时,由于其水线面面积较小而初稳性高较低,其垂向运动(横摇、纵摇、垂荡)易受到推进器法向力作用的影响。基于此,提出一种基于推进器偏置的推力分配模式,旨在合理利用推进器的法向力抑制平台垂向运动,而不影响平台水平面定位功能。在海洋工程水池开展半潜式平台的动力定位模型试验,对比和分析不同载荷工况及推进器偏置模式下平台的六自由度运动响应。结果表明,推进器偏置策略能够基本保证水平面定位精度,并显著减小平台垂向运动在其固有频率附近的响应幅值,在该试验工况下,功率谱密度(PSD)峰值减小高达54.7%,对波频区间的运动影响则较小。该研究结果可为半潜平台垂向运动抑制提供新思路。

内外流作用下深海悬垂取水管动力响应的模型试验

研究内外流对大直径、内流流速高的深海悬垂取水管道动态响应的影响,对实际工程中的取水管道应用提供参考。基于小尺度模型试验,分析内外流作用下管道的动力响应特性,以及顶部连接方式和底部配重块对其响应的影响规律。结果表明:涡激振动响应的主导模态和主导频率主要取决于外流流速,内流流速的变化对主振频率无明显影响,但会增加管道向高阶模态转换的趋势。外流增加会导致P1管道的振动响应从单一模态转向多模态参与,且涡流脱落与固有频率之间的“锁定”和模态转换现象更明显。当存在外流时,管道的位移振幅大小主要受到外流流速影响。外流参与会增加运动的周期性,但随着外部流速增加,取水管道因涡激运动从单一频率的振动转变为复杂的多频率振动,导致运动周期性逐渐减弱。顶部固定的管道底部位移振幅均方根值更大。低外流流速时,管道配重显著影响了管道的振幅,特别是当配重占据管道自重的50%及以上时,振幅的变化与无集中质量时存在明显差异。研究成果在优化内外流条件下悬垂式取水管道的理论模型方面具有显著意义,可为实际深海浮式取水管道的设计与工程实施提供一定参考。

深海取水管在内外流作用下的动力性能

深海取水管道是一种大长细比、高内流流速的悬垂吸液管道,模拟取水管的真实工作状态,研究在内外流作用下的管道动力性能十分必要。基于小尺度模型试验,研究内外流对管道的动力特性影响。结果表明:大部分工况下,内外流共同作用引起的管道振动幅度和频率主要受外流影响;内外流共同作用下,内流流速增加会导致位移振动主频略微降低,顶部张力增加,管道应变响应减小,但其对振动的应变主导阶数影响较小;管道顶部连接方式、底部配重、浸没水深都会影响管道在内外流作用下的涡激振动特性,即顶部铰接相较于固定连接更容易激发管道涡激振动横流向的高阶模态振动,底部配重在小外流流速下会使管道振动幅值降低,在大外流流速下会使管道振动幅值增大,激发横流向高阶主导频率跃迁,浸没水深增加会使管道振动主导频率降低。研究成果可为实际工程项目中深海取水管的设计提供参考依据。

海洋结构物波浪砰击的数值研究综述

波浪砰击是发生在波浪与结构物之间的一种强非线性相互作用,其载荷通常具有峰值大、作用时间短的特点.近年来,海上极端环境导致海洋结构物经常遭受严重的波浪砰击,造成生命和财产损失,从而使得波浪砰击问题备受重视.对于复杂的砰击过程,理论分析和模型实验仅能给出砰击载荷的简化解析解及有限的砰击流场信息,数值模拟逐渐成为研究波浪砰击问题的有效手段.目前,国内外学者已经对海洋结构物的波浪砰击载荷特性、砰击作用过程及其影响因素等问题开展了大量的数值研究,并获得了许多重要的研究结论.针对海洋结构物波浪砰击的数值研究进展、现有方法及重要结论进行综述,为波浪砰击数值模拟的进一步研究提供有益参考.

不同水力集矿模型的矿粒采集及环境扰动特性数值研究

实现高效、低扰动海底集矿是深海多金属结核矿产资源开发面临的关键技术挑战.海底矿粒采集过程的力学行为十分复杂,是一个涉及三维紊动流动、离散粗颗粒运动与细颗粒土体破坏的流固土多物理场耦合过程.针对吸扬式、附壁射流式、射流冲采式3种主流的深海水力集矿方法,基于K-Epsilon两层模型和离散元模型分别模拟集矿液相湍流和固相矿粒,进行矿粒采集性能和环境扰动的数值模拟研究,分析集矿流量q m和集矿头拖曳速度v对矿粒采集率η、集矿流场湍动能k和海水-沉积物混合物体积分数φ的影响,探究集矿流场中流速、压力和矿粒的分布特征.结果表明:在相同q m和v下,射流冲采式模型获得的η最大,吸扬式模型获得的η最小;射流冲采式模型对近底流场扰动程度最大,深海沉积物扩散现象也最为明显,而吸扬式和附壁射流式模型造成的环境扰动程度较小,更有利于环保要求;附壁射流式模型的η对q m和v最不敏感,且该集矿模型可以较好地兼顾高效矿粒采集和低环境扰动.研究结果可为揭示集矿机理和设计研发高效低扰动集矿装置提供科学依据.

基于多平台训练的海洋平台极短期运动预报研究

在风浪流等环境条件的共同作用下,浮式海洋平台会在六自由度方向上进行摇荡运动,进而对海上作业安全构成了严峻的威胁。准确的运动极短期预报,可以作为输入条件,提高运动补偿装置的性能;另一方面也可以提供及时的实时预警信息,指导安全作业。深度学习算法是指模型通过对现有的数据进行学习,在大量的训练后使得其能够提取到数据的特征,进而能够根据输入数据对未来进行预测。通过对若干海洋平台的模型试验数据进行学习,建立了基于长短期记忆神经网络(LSTM)的深度学习模型。模型实现了对未来20~40s内的垂荡和纵荡运动的精确预报,预报精度总体可达到80%~90%以上,并以此对模型的输入、输出窗口长度以及波浪相位差开展了敏感性研究。通过多平台混合训练得到了输入、输出窗口长度以及波浪相位差三者间的合适比例关系,并以此为基础拓展了预报时间长度,为深度神经网络模型给出了推荐的构型参考。

环境驱动无人船大洋长航程路径规划研究

环境驱动无人船,如波浪滑翔机、saildrone等,由于自身低航速性、欠驱动性和弱机动性,导致其在大洋航行时受洋流干扰显著,甚至在部分强洋流海域出现失控的情况。本文基于先验已知的动态流场,通过B样条控制点随机生成无人船路径,并计算每一条路径在动态流场中考虑路径距离、航行速度以及路径光滑度的综合代价函数,使用遗传算法迭代搜索最优控制点组合。此外,考虑到大洋长航程路径规划中时间跨度长的特点,将出发时间作为路径优化参数,对比分析不同出发时间对行程用时的影响。仿真表明,所提出的路径规划策略能够有效提升大范围动态流场中欠驱动无人船的平均航速,缩短目标抵达时间。同时,在大范围长时序航行中,选择适当的出发时间可以进一步缩短行程用时。

黏性液体中固体颗粒与壁面碰撞的实验研究

针对深海采矿、固体矿浆输送等工程实践中出现的固体颗粒与管壁碰撞现象,在水箱中开展颗粒-壁面碰撞物理模型实验研究,分析颗粒直径、密度、表面粗糙度、碰撞角度以及液体黏度等参数对颗粒碰撞回弹速度、轨迹的影响,探究碰撞能量耗散规律。实验结果表明,随着斯托克斯数逐渐增大,碰撞恢复系数相应增加到最大值;颗粒表面粗糙度和表面性质不同,对能量损耗的影响也不同,玻璃颗粒相较于铁质颗粒能量损耗更小,而碰撞恢复系数更大;当颗粒与壁面发生倾斜碰撞时,碰撞处切向摩擦力使得颗粒的部分能量转化为颗粒自转的旋转动能,因此碰撞恢复系数小于垂直碰撞恢复系数。

基于视觉的无人机艇系统姿态感知研究

随着无人机和无人艇技术的迅速发展,无人机-无人艇协同应用逐渐成为未来海上军事任务和智慧交通的不可或缺组成部分。然而,考虑到无人艇在不同海况条件下的高动态特性,传统的雷达等手段虽然可以满足高精度和实时性的要求,但成本较高,而传统的视觉方法虽然成本低、易于实现,但稳定度较低。本文基于相机成像原理,提出一种无人机与无人艇的单目定距方法。通过对着陆区域的多个标志物进行识别定距后,对无人艇着陆区域平面进行拟合重构,从而获取无人机与无人艇的距离,标志物越多,算法失效的概率越低。搭建数值模拟器对算法进行了测试,研究了算法在无人艇大倾角摇晃下的精度和稳定性。结果显示,算法在无人艇摇晃的情况下可以得到较为准确的距离,所有工况计算出X,Y,Z方向上的平均相对误差分别为7.47%、6.48%和8.04%。

悬浮隧道锚索布置选型研究

悬浮隧道是一种跨越深水域的新型交通结构。为确保悬浮隧道在波流荷载作用下的动态稳定性,需要合适的系泊系统。本文以锚索式悬浮隧道为研究对象,探讨不同锚索布置形式对悬浮隧道结构动力响应的影响。借助OrcaFlex软件建立有限元模型,计算了垂直和倾斜布置形式下的系泊系统刚度,探究了规则波和均匀流作用下隧道位移、加速度和锚索张力的变化规律。结果表明,倾角为45°安装角为45°的倾斜锚索布置形式能够有效抑制隧道管体在垂直和水平方向上的运动响应,保证结构稳定性的同时有效防止锚索疲劳损伤,并且适用于不同长度的悬浮隧道。

Spar钻井生产储卸油平台油水界面监测试验研究

新型深水立柱式Spar钻井生产储卸油平台油水界面监测技术是保证该工艺顺利进行的关键技术之一。针对前期小试试验提出的静压式方法油水界面监测方案,本文开展Spar钻井生产储卸油平台储油系统1∶15缩尺比中试试验,考察静压式方法在该超长立柱式储油舱内的可靠性及适用性。研究结果表明:静压式方法在常规海况静态置换及一年一遇海况动态置换中对油水界面监测均具有稳定、可靠的测量特性,可适用于Spar钻井生产储卸油平台超长立柱式储油系统。另外,在监测系统中需设置高位/低位定点监测装置及精准的Spar钻井生产储卸油平台吃水监测系统以分别消除斜率偏差及曲线偏移引起的误差。

浅水半潜型浮式风机基础概念设计与模型试验研究

目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明:半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。

我国南海资源开发装备发展研究

南海是我国面积最大的海域,超过70%为深海区域,蕴藏着丰富的深海资源,尤其是深海油气、深海矿产等。高温、高湿、高盐是我国南海区别于其他海域的主要特征,研究适用于南海资源开发的海洋装备具有重要的战略意义。本文首先分析总结了国内外主要海洋资源开发装备的发展现状及趋势,详细分析了南海资源开发装备的发展需求与关键技术,提出了南海资源开发装备的发展目标和发展思路等。最后从装备与产业发展角度,提出了南海资源开发装备产业的发展建议:依托海南省建设深海油气开发关键技术研发中心和应急救援中心、深海矿产资源开发装备研发中心、深海养殖示范区和试验区以及国家南海深远海海上综合试验场等,逐步建设“国家深海科技创新中心”“国家深海工程装备保障基地”“国家深海科技产业中心”等。

船用灰铸铁材料裂纹扩展的近场动力学研究

断裂破坏是海工结构主要的失效模式之一。对船用灰铸铁构件的裂纹扩展和断裂行为进行模拟研究,对于预防船体设备脆性破坏和结构安全性有重要意义。传统连续介质力学方法在模拟破坏时存在先天不足,而新兴的近场动力学方法(Peridynamics,PD)已证实能模拟材料中裂纹自发的萌生和扩展。本文通过修正PD的长程力尺寸效应和边界效应问题,并根据临界能量释放率推导出对应的裂纹损伤扩展准则,提出一种改进的PD方法。通过薄板的连续变形和破坏实例验证它的准确性,并研究不同预制裂纹灰铸铁构件的裂纹扩展现象。结果表明,改进的PD方法计算结果与试验的裂纹扩展结果吻合较好,其用于预测分析船用灰铸铁构件从连续体到非连续体的整个破坏过程是可行的。

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程,声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF(extended Kalman filter)算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。

力学与声学超材料在船舶工程中的应用研究综述

海洋环境的复杂性以及兵器攻击中强非线性载荷的作用,使得采用常规材料制造的舰船结构难以满足安全性、隐身性、轻量化和舒适性等综合设计指标要求,而超材料凭借其性能的人工可设计性和性能超颖性,成为解决上述工程需求的有效途径之一。总结近10年来超材料在船舶工程中的理论及应用研究现状,围绕船舶抗爆抗冲击、轻量化、承载和减振降噪等几个方面,重点梳理力学超材料和声学超材料的设计方法与应用研究进展。指出船用超材料的大尺度、高效、低成本制造技术是未来船用超材料应用中亟待突破的方向与瓶颈,船用超材料的高承载性、宽频段带隙设计和低频段带隙设计已成为具有潜力的研究热点。