均匀流作用下柔性悬垂管涡激振动响应特性试验研究

温差能发电是近年海洋可再生能源研究的热点,悬垂取水管作为温差发电装置中提取深层冷海水的关键结构,其涡激振动响应特性尚不明确。本文开展了均匀流下悬垂管的涡激振动水池模型试验,利用光纤光栅应变传感器测量涡激振动应变响应,通过模态分析法、小波变换等数据处理方法研究悬垂管的幅值和频率特征。分析试验结果发现:均匀流作用下,悬垂管的涡激振动位移响应最大幅值主要位于悬垂管底部;柔性悬挂立管IL(in-line)和CF(cross-flow)主导频率基本满足二倍频关系,但是在模态转换的流速工况下会出现IL和CF方向主导频率相同的现象,同时伴随着明显的“行波”、“多频响应”以及“时间共享”特征;处理得到背景洋流作用下悬垂管的CF和IL方向斯特哈尔数分别为0.15和0.30,略小于以往两端铰支柔性立管试验结果,该值将为悬垂输水管涡激振动预报研究提供参数输入。

基于RANS/LES混合方法的三维L型弯管流场特性数值模拟

L型弯管是船用典型部件,可实现流体质量输运和热量交换等功能。由于弯曲段曲率的影响,其内部流动十分复杂。传统的雷诺平均方法(RANS)无法模拟弯曲段的复杂流动,而大涡模拟方法(LES)则计算量太大。为此,采用RANS/LES混合方法对经典L型弯管进行数值模拟研究,该方法在近壁面区域采用RANS方法,在湍流核心区采用LES方法,不仅可保持模拟精度,而且网格需求量较低更适用于工程应用。针对商软中的2类RANS/LES方法——脱体涡方法(IDDES)及应力混合涡模拟(SBES)方法,比较分析其在L型弯管内部流场仿真方面的优劣,并同时考虑流向曲率修正的影响。结果表明:SBES方法对弯管内二次流(迪恩涡)的预测能力优于IDDES方法,且曲率修正模型可进一步改善SBES方法的仿真结果。

分层流体中细长体生成内波的试验研究

在密度连续分布的3层流体中,对细长体运动生成的内波问题进行了模型试验研究.采用多通道电导率阵,测量分析了拖曳模型产生内波的相关速度、垂向位移场及其波形结构.结果表明,拖曳模型产生的内波可以分为两类:一类是由定常源激发的Lee波;另一类是由非定常源激发的尾迹波,而且Lee波转换为尾迹波的临界内Fr=4.

上海地区地面沉降新特征的发生机制分析

近年来上海地区的地面沉降出现了第四承压含水层持续变形及滞后的新特征,传统土力学已不能完全解释其机理。针对上海地面沉降发展新变化,已有的研究从如下方面进行了探讨:针对沉降加剧现象,分析了城市化建设对地面沉降的影响;从砂土材料的蠕变性状出发,分析深部含水层过大变形的现象。上述两方面虽在一定程度上可解释沉降新特征,但还是不能完全阐明其发生机理。基于此,本文提出考虑含水层抽水后受力状态随空间与时间再分布的两种动态传力机理分析方法:(1)基于Cosserat力学体系的地面沉降模型考虑了水力梯度变化在砂土层中产生的剪应力,给出了考虑固结效应的Cosserat介质力学模型,可以很好地从含水层受力机理的角度解释含水层持续变形增大和变形滞后的发生机理;(2)水的渗透会对土骨架产生拖曳力,使粘性土的细颗粒在粗颗粒构成的孔隙中移动,发生内部侵蚀流动造成细颗粒流失,阐述了考虑细颗粒流失作用对地面沉降的影响及其地面沉降在含水层空间与时间重分布的发生机理。

半潜式平台内孤立波载荷计算方法及其试验验证

针对半潜式平台的立柱群和沉箱群,设计了两套独立的载荷测量系统,利用大型重力式密度分层水槽,在不同来波方向下对孤立波中半潜式平台载荷进行了系列模型试验。研究表明,对平台立柱部分,其内孤立波载荷可以用Morison公式进行计算,基于试验结果建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;对于半潜式平台的沉箱部分,当来波方向与其中纵剖面不平行时,其水平内孤立波载荷同样可以使用Morison公式进行计算,并建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;当来波方向与半潜式平台中纵剖面平行时,沉箱群的水平内孤立波载荷可以采用Froude-Krylov公式进行计算;同时,在不同来波方向下沉箱群的垂向载荷同样可以采用Froude-Krylov公式进行计算。

船舶三向伴流测量方法与试验研究

通过试验对一双桨船进行了伴流测量,以此为基础对伴流试验相关问题现象展开分析探讨.试验中采用6管5孔毕托耙,给出了具体的Kv-Kh方法测量原理与方案,提出耙的优化结构组成方案以提高可靠性和精度;试验过程中,根据弗劳德相似的原则确定船模拖曳速度,全面测量桨盘平面上的轴向、径向、切向流速.通过测量得到了该船全面的三向伴流分布情况,对结果分析发现,轴支架的存在对伴流场有些较明显的影响,且影响不太规律;Kv-Kh方法偏差在桨轴附件时较大,给出了原因及改善的建议.试验中还发现了水池中微幅长周期纵向振荡波的存在,衰减很慢,会对试验结果造成一定影响.

面向偏航最小的风帆助航船攻角优化策略研究

风帆攻角决策是风帆助航船充分利用风能的关键。在船舶航行过程中,风帆产生助推力的同时也产生侧推力,引起船舶偏航和能效降低。针对该问题,本文引入侧推权重因子,建立由助推力系数与侧推力系数组成的双线性攻角决策函数,以最小航线偏离角为优化目标,利用粒子群算法求解适用于该航线的最优权重因子,从而得到在不同相对风向角下的最优攻角,既实现风帆助推船舶航行,又不依赖操舵而避免船舶偏离航向。与传统基于最大助推力法的攻角策略相比较,在相同航行时间内,航向纵向位移略有提升,侧向位移和航线偏离角大幅减小,在相对风向角波动时攻角变化较平缓,有利于风帆操纵。本文研究可为提高风帆助航船的能效提供参考。

流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验研究

洋流流速沿水深的分层变化对长柔性立管涡激振动性能有一定的影响.在开发流速增大装置的基础上,在拖曳水池中完成了1组流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验,测量数据包括流向和垂直流向上立管表面的应变值,试验数据采用模态分析法加以分析.结果表明:流速分层流场中细长柔性立管涡激振动不同于均匀流场及剪切流场的振动;流速增大层立管流向弯曲曲线的最大弯曲点偏向于流速增大层的作用段;立管流向和垂直流向振动的频率分布呈现出集中和分散2种形式;激发的立管垂直流向振动与拍振动类似.

大型集装箱船拖曳水池敞开式风场中风阻试验与数值计算

就拖曳水池开展了风场研究,对敞开式风场风阻试验进行了可行性验证.在此基础上,对一缩尺比为1.0∶87.5的3 100箱集装箱船模进行了风阻测试与集装箱布置优化分析,结合一系列布置方案试验结果以及计算流体力学CFD数值模拟计算,讨论了集装箱布置对船舶风阻的影响.结果表明:敞开式风场中风阻试验是一种简单有效的新式测量方法;试验结果与CFD及ITTC推荐公式进行了交叉验证,具有一定可靠性,CFD在精度与细节模拟上效果更佳;布置优化可以有效减少大型集装箱船风阻.

波浪荷载作用下桩周土体孔隙水压力试验研究

基于改造的圆筒试验设备,通过加载装置控制模型土体上方的波压力,实现对波浪荷载作用下的桩周土体响应试验的模拟.研究不同的波浪周期、波压力和土体相对密实度等参数对桩周土体孔隙水压力的影响;分析试验中土体孔隙水压力最大振幅值随深度的变化情况以及液化情况.结果表明:较小的波浪周期、波压力会使土体内孔隙水压力最大振幅值随深度衰减得更快;桩底附近的土体内孔隙水压力出现突然增大现象,即出现桩端孔压放大效应;波浪周期、波压力等对桩端孔压放大效应的影响较大.

基于正交试验的城市信控交叉口仿真分析及优化

为了探寻交叉口高效优化设计方法以提高城市路网的通行效率,文章以上海市沪闵路-剑川路信控交叉口为典型案例进行高峰小时优化设计。实地调研目标交叉口高峰小时交通数据,基于Vissim微观交通仿真软件进行建模及仿真;通过分析实际交通问题,提出若干优化方案,并利用正交试验设计从车道设置、渠化和信号3个方面进行组合,结合方差分析和关联分析进行方案评价,最终方案可将交叉口的延误降低32%。该优化流程可规范化交叉口设计,快速寻找最优方案,相关研究结果可为交通管理部门的治堵工作提供一定的理论依据。

强竖向渗透济南红黏土的微观孔隙特征及CT渗流试验

由于济南市泉域地层的特殊性和复杂性,第四纪沉积层虽然以黏土、粉质黏土为主,却表现出强富水、强透水的特征,在基坑工程施工中出现降水异常困难、结构渗漏水严重等一系列难题.为了明确济南红黏土层强透水的成因,从济南红黏土微观孔隙结构角度开展研究,首先对现场取样的原状红黏土开展基本物理特性试验,利用扫描电子显微镜(SEM)获取红黏土的微观粒子排列方式.然后研发了基于计算机断层(CT)扫描的土体渗流装置,通过不同渗流阶段的CT扫描获取了红黏土内部孔隙三维结构并实现了孔隙水的流动可视化.最后建立孔隙网络模型(PNM)对渗流过程中土体内部孔隙和喉道的数量及体积占比进行了量化分析.结果表明:济南红黏土水平截面的颗粒搭接更为松散,孔隙结构以竖向发展为主,并存在孔径较大的联通通道;水在红黏土中优先沿着既有的大孔隙通道流动,并导致渗流通道扩张,土体内部孔径较大的联通孔道是导致土体强竖向渗透的主要原因.

用于双船协同控制的动力定位系统设计与试验

提出一种基于虚拟领航者协同控制策略的双船协同控制拆海洋平台系统,并对该系统进行了模型试验验证。该模型试验主要模拟了双船动力定位定点举升上部组块场景和双船动力定位举托重物行进2个场景。2种试验场景均在不同的海况下进行测试,并对不同海况试验得到的船模3自由度运动数据进行误差精度分析。试验数据表明:在横向波浪和横向风的海况下,系统定位精度最差。该模型试验验证了基于虚拟领航者的协同控制策略在拆海洋平台作业中的可行性,对实际的海洋平台拆除作业具有较高的参考价值。

海洋骨料采集产业及船舶装备研究进展

回顾海洋骨料产业的发展及海洋骨料采集技术,梳理国内外行业进展,调研海洋骨料采集装备的研发情况,总结和比较骨料采集船舶以及采集专用设备的特点,尤其是在环保方面的新举措,为我国发展海洋骨料产业、设计研发相关装备提供有益借鉴。

温度分层流体中潜航器激发内波试验

当水下航行体在温度、密度沿垂向存在分层现象的流体环境中航行时,海水微团会因潜航体的扰动偏离其初始平衡位置并在浮力和重力的作用下往复振动进而形成内波.内波的传播会对原有的温度场产生扰动,因此可以通过对水温扰动特性展开研究来逆向分析潜航体的运动状态.现阶段关于温度变化研究大多停留于理论探讨和数值仿真阶段,缺乏模型试验进行对照,同时温度受环境影响较大,更需要从模型试验角度进行探究.基于上述因素,文中建立了一套试验系统,在试验室尺度下通过温度变化模拟海洋温度跃层环境形成并探究其温度变化情况.研究发现在存在温度分层的流体环境中,潜航体行进过程中存在一个临界速度U_(c),在航速达到U_(c)之前,潜航体产生的温度扰动效果与航速之间近似于线性正相关关系;在航速达到U_(c)后,即使继续增大航速,其产生的温度扰动效果依旧不会有明显增幅;直到航速突破极限速度U_(d)后温度扰动效果才会继续增加.为进一步模拟海洋环境及反潜隐身相关研究提供参考.

深海钻井隔水管紧急脱离反冲平台偏离效应

建立深海隔水管横向和纵向反冲响应耦合有限元模型,探究钻井平台的横向偏离效应。相比于一维模型,考虑横向位移可更加准确地计算系统的潜存势能;同时,引入悬挂隔水管单摆运动可更接近作业实际并可对顶端挠性接头转角等因素进行分析。研究发现,顶端平台横向偏离使低端总成与井口在反冲过程中最小距离增大,有利于避免与井口相撞,但可能导致挠性接头转角及张紧器液压缸冲程超限。钻井平台偏离效应对选择最佳紧急断开时刻(即垂荡相位角)也有重要影响。该成果可为优化深海隔水管反冲响应特性预报程序及抗反冲控制系统提供支持。

船用气囊力学特性及极限承载力分析

分析了承压气囊变形的几何描述和根据薄壁压力容器受力分析应力理论,建立了统一的气囊变形与承载力、内压关系数学模型.通过单轴拉伸试验确定囊体材料特征,提出了承压气囊的力学特性和极限承载力的计算方法.通过算例验证,证明该方法可用于承压气囊理论分析,为船用气囊下水的安全使用提供了指导.

米勒循环改善增压直喷汽油机热效率的机理分析——部分负荷工况分析

基于热力学第一定律和一维发动机循环仿真,对进气阀早关(EIVC)与进气阀迟关(LIVC)两种策略实现的米勒循环进行建模,在部分负荷工况下分别对应用高压缩比及EIVC和LIVC改善一款增压直喷汽油发动机热效率的效果及其机理进行比较分析。研究结果表明:提高几何压缩比增加了发动机的理论热效率从而改善了油耗,无论采用EIVC还是LIVC策略的米勒循环,都可以减小泵气损失,提升机械效率,同时降低缸内传热损失,进一步促进了米勒循环对油耗的改善。对比分析采用EIVC与LIVC时发动机热效率的影响因子发现,EIVC由于具有更高的机械效率和更少的传热损失,其油耗改善程度优于LIVC。

水下拖曳系统的稳态运动分析与设计

为分析水下拖曳系统的稳态运动性能,给出了稳态运动求解方法,并将其应用到拖曳系统的设计中.对于不同的拖曳形式和条件,拖缆的边界条件被转换为一组关于初始值的显、隐式方程,分别作为初始值和两点边值问题进行求解.通过数值仿真计算,分析了拖缆物理参数变化对系统稳态运动的影响.结果表明:拖缆的弹性、泊松比的影响在其变化范围内微乎其微,可忽略不计;而阻力系数、拖缆密度及拖曳速度变化对系统稳态运动的影响很大.最后,以具体的拖曳系统定深器设计和海洋勘探拖曳系统设计为例说明拖曳系统的设计方法,并根据其稳态运行要求,确定了拖曳系统的参数.

深海立柱式平台概念设计研究

以上海交通大学海洋工程国家重点实验室提出的多柱桁架式立柱平台(Cell-Truss Spar)概念为例,对Spar平台的概念设计方法和过程进行了初步的研究,并对其水动力性能进行理论和数值计算,分析一些影响Spar平台运动性能的参数。设计涉及到两方面的问题:一是设计方法、流程以及结构物的形式;二是水动力性能。整个设计流程是一个不断循环的交互式的过程,需要考虑很多方面因素的影响。