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《海洋工程》2019年第3期中文摘要
日期:2019年06月12日 16:31:31點擊數:字號:【

杭州灣潮汐特征時空變化及原因分析

潘存鴻1,2,鄭  君1,2,陳  剛1,2,賀成奇1,2,唐子文1,2

(1. 浙江省水利河口研究院,浙江 杭州  310020;2. 浙江省河口海岸重點實驗室,浙江 杭州  310020)

摘要:杭州灣是世界著名的強潮河口灣,一直是研究的熱點。基于杭州灣口內外實測潮汐資料,對杭州灣潮汐特征及時空變化進行了系統分析,包括高潮位、低潮位、平均潮位、潮差、漲潮歷時以及天文潮變化,同時分析了20世紀80年代以來潮汐特征變化的原因。結果表明:最近50年來,杭州灣年平均高潮位和海平面抬高,潮差增大;澉浦年平均低潮位抬高,漲潮歷時縮短,淺海分潮增大;錢塘江河口治江縮窄是造成杭州灣潮汐變化的主要因素;浙江和鄰近海域的涉海工程可能是造成浙江沿海海平面上升的主要原因之一。 

關鍵詞:杭州灣;潮汐特征;時空變化;海平面;治江縮窄

均勻流作用下三立柱輕型半潛式生產平臺渦激運動特性數值研究

田辰玲1,2,3,呂海寧1,2,3,王  晉1,2,3,4,劉明月1,2,3,白彥彬4

(1. 海洋工程國家重點實驗室(上海交通大學),上海  200240;2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海  200240;3. 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院,上海  200240;4. 北京高泰深海技術有限公司,北京  102200)

摘要:三立柱輕型半潛式生產平臺是一種新型多功能高效平臺,可廣泛用于中等水深及深水邊際油氣田開發。但在一定的來流條件下,立柱后方會產生漩渦脫落,導致平臺發生渦激運動現象,從而影響平臺的海上作業。基于分離渦模擬 (Detached Eddy Simulation, 簡稱DES)方法,對具有三立柱和深吃水特點的非傳統型半潛式生產平臺的渦激運動響應特性開展數值模擬研究,從運動響應幅值和頻率、運動軌跡及水動力系數等多個角度分析其在不同流向角和不同折合速度下渦激運動響應的關鍵特征和鎖定范圍。研究表明,三立柱輕型半潛式生產平臺的橫向運動響應由其受到的脈動升力主導,在折合速度 區間內發生鎖定現象,且在180°流向角時幅值達到最大,約為立柱直徑的59%;首搖運動在0°流向角時達到最大響應幅值4.9°,且鎖定區內的響應頻率接近其首搖運動固有頻率;其運動軌跡主要表現為沿著橫向的直線往復運動。

關鍵詞:三立柱;輕型半潛式生產平臺;渦激運動;數值模擬

基于重疊網格方法浮筒渦激運動特性數值分析

謝康迪1,2,趙偉文1,2,萬德成1,2

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室,上海  200240;2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海  200240)

摘要:浮筒被廣泛應用在海洋工程中,研究浮筒的渦激運動對于減少其對海洋平臺構件的疲勞損壞具有指導意義。傳統的動網格方法在處理浮筒轉動運動時會因網格變形過大導致計算不收斂,采用了重疊網格方法以解決這一問題。數值實驗采用了基于開源工具包OpenFOAM自主開發的naoe-FOAM-SJTU求解器。本文分別進行了自由衰減數值實驗和渦激運動數值實驗。研究表明,隨著折合速度的增加,浮筒的順流向、橫流向、垂蕩和艏搖運動頻率增加,且順流向與垂蕩頻率相近,橫流向與艏搖頻率相近;其次,根據渦量場分布,表明浮筒前一時刻的瀉渦會影響到浮筒之后時刻的周向渦量分布;最后,研究發現自由端對于浮筒尾流場瀉渦有著顯著影響,為將來探究減少浮筒渦激運動的方法提供指導。

關鍵詞:重疊網格方法;SST-DDES;浮筒;渦激運動;naoe-FOAM-SJTU

基于有限元分析的卷管法管道安裝實時研究

李  英,李婧一,劉志龍

(天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津  300350)

摘要:采用卷管法鋪設管道時,管道和鋪設設備之間的接觸作用十分復雜,并且管道在彎曲過程中將會產生塑性變形并可能發生局部屈曲,導致管道失效。基于有限元模型(FEM)實時模擬卷管法安裝的整個過程,研究管道與鋪設設備之間的接觸作用;分析管道對于環境載荷和船體運動的動態響應;獲得管道的應力應變值以校核局部屈曲。研究結果表明,管道彎矩大部分來源于管道與安裝設備間的接觸作用,而環境載荷及船體運動對管道的彎曲應力影響較小。

關鍵詞:卷管法;安裝;接觸作用;有限元分析

基于物理造波和主動消波的黏性數值波浪水槽開發

余  陽1,2,周同明2,段夢蘭1,趙天奉1,孫成功1,周學軍3

(1.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院,北京  102249;2. 西澳大學 土木環境和采礦工程學院,澳大利亞 珀斯  6009;3.中海油研究總院工程研究設計院,北京  100028)

摘要:基于推板造波理論和搖板造波理論,在OpenFOAM平臺上采用重疊網格技術建立黏性數值波浪水槽,并使用一種結合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法對數值模型進行求解。利用開發的數值模型通過數值收斂性測試和網格獨立性測試分別重點研究了時間步長、庫朗數和網格尺寸對數值精度和計算效率的影響。并對比研究了此數值模型分別嵌入層流模型和湍流模型的計算精度和計算效率。實現的規則波和二階有限振幅波與理論結果和試驗結果吻合,驗證了此黏性數值波浪水槽的造波和主動消波功能。基于二維數值波浪水槽,進一步研究了三維數值造波,數值計算結果與理論結果吻合良好。研究結果不僅驗證了重疊網格在二維和三維兩相流體域中求解運動物體與流場交互的可靠性和正確性,而且為使用此黏性數值波浪水槽解決更復雜的海洋工程問題提供了依據。

關鍵詞:OpenFOAM;重疊網格;物理造波;主動消波;數值波浪水槽;三維造波

歐洲北海海域波高區間分布概率研究

童  波1,張九鳴2,鄒  麗2,3,趙  建2,孫鐵志2

(1. 中國船舶工業集團公司第七〇八研究所,上海  200023;2. 大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連  116024;3. 高技術船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海  200240)

摘要:為了研究歐洲北海海域的波高全區域概率分布情況,從而為海洋平臺等海洋浮式結構物的選址和結構設計提供依據。首先基于Global Waves Statistics(GWS)提供的實測數據,確定典型計算工況的發生概率;同時考慮實測數據中極端波浪環境下的數據缺失導致大波高分布概率偏小的問題,利用三參數Weibull分布確定不同重現期下的極值風速,作為典型計算工況的補充。以不同風速、風向的定常風場為輸入項,利用第三代海浪數值模型SWAN模型,對北海全區域波高進行數值模擬。將數值模擬的穩態形式依照各工況的發生概率進行歸一化累加處理,認為其結果可以表征全區域的波高概率分布情況。以波高概率分布的計算結果為依據,分析北海海域波浪環境的統計學特征,發現有效波高為7m以上的大波高頻發區在北海北部區域有大范圍分布;有效波高4-5m為北海東北區域的多發海況,極端海況下的有效波高主要分布于7-14m區間,在地形突變區域的波高發生顯著變化。

關鍵詞:歐洲北海;波高概率分布;SWAN模型;極值風速;Weibull分布

波浪與起伏水平板防波堤相互作用數值模擬

王賢夢,趙西增,付  丁

(浙江大學 海洋學院,浙江 舟山  316021)

摘要:利用自主研發的基于緊致插值曲線CIP方法(Constrained Interpolation Profile) 的數學模型,開展規則波與起伏水平板防波堤相互作用的數值模擬研究。模型在笛卡爾直角坐標下建立,以CIP方法為流場基本求解器,分步求解Navier-Stokes(N-S)方程,利用高精度的流體體積類型的THINC/SW (tangent of hyperbola for interface capturing with slope weighting)方法重構自由液面,采用浸入邊界IBM方法 (immersed boundary method)處理波浪與起伏板防波堤的耦合作用問題,通過動量源項造波方法模擬波浪的產生。重點關注波浪的淺水變形和板兩端渦旋脫落的非線性現象,分析不同潛深、波要素下的板周圍流場分布、板的運動響應和波浪的反透射系數。結果表明:起伏水平板主要通過能量反射、板上淺水變形和板兩端的渦脫落消能,能有效減小板后波高,具有作為防波堤的可行性。

關鍵詞:起伏水平板;防波堤;CIP方法;透射系數;淺水變形;渦旋脫落;消能

考慮沖刷影響的筒型基礎豎向極限承載力研究

陸羅觀,劉  潤,練繼建,陳廣思

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津  300350)

摘要:大直徑寬淺式筒型基礎,阻水寬度大,在位工作期間受波浪海流作用,其周圍土體易被沖刷。為研究單側地基土體受沖刷后筒型基礎的豎向極限承載力變化,通過引進沖刷率的概念,采用有限元方法研究了不同沖刷率下筒型基礎的豎向極限承載力;并基于Meyerhof理論建立了計算不同沖刷率下筒型基礎豎向極限承載力的極限平衡方法。研究結果表明,隨著沖刷率增大,筒型基礎的極限承載力出現不同程度的下降,當沖刷率為0.8時,即筒型基礎單側土體沖刷深度達6.4m時,筒型基礎的豎向極限承載力折減率為3.28%。建立的極限平衡算法可準確計算沖刷條件下筒型基礎的豎向極限承載力。

關鍵詞:筒型基礎;沖刷率;極限承載力;豎向;粉質黏土;極限平衡方法

臺風作用下海上風機基礎結構安全評價

朱彬彬1,王  濱1,李玉剛2,樓敏俊3,夏  露1,施  勇4

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州  311122;2.大連理工大學,遼寧 大連  116024;3.中國國際航空股份有限公司浙江分公司,浙江 杭州  311207;4.江蘇海上龍源發電有限公司,江蘇 南通  226000)

摘要:海上風機結構在運營期內可能面臨極端風浪、地震等荷載作用。因此,極端工況作用下海上風機局部和整體結構反應將成為結構設計以及安全評價的重要參數。采用半整體方法,以樁基泥面最大位移、結構桿件極端承載力以及樁基抗壓、抗拔承載力為判定指標,基于塑性可靠度理論,系統研究臺風條件下運營期內海上風機基礎結構可靠度指標變化規律,得出潛在的基礎結構失效模式及相應判定指標。由本文研究可得,臺風條件下運營期內海上風機基礎結構各可靠度將顯著受到基礎沖刷、海生物生長和結構腐蝕的影響,并且結構失效模式將由單一模式破壞發展為多種模式聯合失效。

關鍵詞:海上風機;臺風;半整體方法;塑性可靠度指標;失效模式

一種基于改進蟻群優化算法的載人潛水器全局路徑規劃

史先鵬1,2,解方宇1,張波濤1

(1.杭州電子科技大學 自動化學院,浙江 杭州  310018;2.國家深海基地管理中心 科技處,山東 青島 266237)

摘要:基礎蟻群優化算法在解決復雜障礙環境下的載人潛水器路徑規劃問題時,易過早收斂于局部最優解,信息素揮發系數的設置過于依靠經驗,路徑規劃結果受概率影響大且不穩定。為此,提出了一種改進蟻群算法用于解決載人潛水器的全局路徑規劃問題。該算法提出“路徑延伸塊”的概念。算法前期采用動態更新信息素參數的蟻群優化算法進行簡單迭代計算獲得原始路徑,并對原始路徑進行柵格延伸以得到“路徑延伸塊”;后期在路徑延伸塊中再次使用蟻群算法或其他尋優算法(本文以Dijkstra算法為例)尋找最優路徑。本文改進的算法與基礎蟻群優化算法相比,算法效率及穩定性更高,不易收斂于局部最優解,能更好地適應U型槽環境和復雜障礙環境。

關鍵詞:載人潛水器;路徑規劃;蟻群優化算法;Dijkstra算法

典型海上升壓站地震儲備承載系數研究

孫震洲1, 2,金偉良2,方  滔1,俞華鋒1

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州  311122;2. 浙江大學 建筑工程學院,浙江 杭州  310058)

摘要:海上升壓站是海上風電場中不可或缺的組成部分,其結構型式與傳統的海上油氣平臺有所差異,完全套用現有抗震分析方法可能使結構設計不經濟。由于地質條件特點不同,國外海上風電場鮮有位于高地震烈度區的案例,因此當前有關海上升壓站抗震設計的理論和經驗也不充分。針對我國首個位于高地震烈度區內的海上升壓站,建立精細化有限元模型,利用非線性靜力推覆分析方法,并結合敏感性分析結果與工程實際情況給出其地震儲備承載系數的合理化取值,為今后典型海上升壓站的抗震設計提供參考與借鑒。

關鍵詞:海上升壓站;抗震設計;推覆分析;儲備承載系數

Truss Spar平臺在波流聯合作用下運動響應預報方法比較

許國春,石  凡,劉肖佐,朱克強

(寧波大學 海運學院,浙江 寧波  315211)

摘要:基于細長體水動力模型比較了Truss Spar平臺在波流聯合作用下運動響應預報的三種方法。分別采用波流耦合、速度疊加及力疊加計算Truss Spar平臺在波流聯合作用下的水動力載荷,根據流場水質點運動規律和Truss Spar外部形狀特點,分段高效計算水動力載荷。利用Runge-Kutta-Fehlberg方法求解剛體非線性運動方程得Truss Spar在波流場中的運動響應。研究結果表明力疊加法所預報的Truss Spar縱蕩和縱搖運動明顯大于其他兩種方法的相應運動響應預報結果,而波流耦合法與速度疊加法所預報的縱蕩與縱搖運動響應幅值相當,三種方法所預報的垂蕩運動響應的大小取決于具體波流參數。

關鍵詞:Truss Spar;運動預報;細長體模型;數值研究

局部隨機點蝕下圓管截面極限強度退化規律

王仁華,郭海超

(江蘇科技大學 土木工程系,江蘇 鎮江  212003)

摘要:針對構件外表面局部區域遭受隨機點蝕損傷的圓管截面,考慮點蝕隨機特性的影響,建立包含點蝕坑細節的精細有限元模型;在多種腐蝕強度下,研究局部腐蝕的點蝕區分布位置(沿軸向和周向分布位置變化)及其形狀(點蝕區長度和寬度獨立或聯合變化)影響軸壓極限強度退化的規律;并比較局部隨機點蝕與局部均勻腐蝕引起構件極限強度退化的差異。研究結果表明,盡管局部隨機點蝕與最大初始幾何缺陷的耦合作用會使極限強度的退化趨于嚴重,但是總體而言點蝕區分布位置變化對圓管極限強度的退化沒有顯著的影響。此外,同等腐蝕體積和腐蝕面積下,相比于長窄式局部腐蝕,短寬式局部腐蝕會引起更嚴重的極限強度退化,在嚴重腐蝕情形下后者導致的強度退化會高出25.5%;相比于局部均勻腐蝕,局部隨機點蝕會導致更劇烈的極限強度退化,其不利影響可高出20.7%。

關鍵詞:局部腐蝕;隨機點蝕;圓管截面;極限強度;點蝕損傷;強度退化

海洋溫差能發電裝置中冷水管動力性能分析

司東洋1,2,呂海寧1,2,陳  剛1,3,肖龍飛1,2

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海  200240;2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心,上海  200240;3. 中國船舶及海洋工程設計研究院,上海  200011)

摘要:不考慮波浪、海流以及平臺運動的作用,研究管內流動對冷水管動力性能的影響。基于懸臂輸液管道梁模型,通過軸向流速比α、流速角比ψ和切向流速比φ三個進流口流場參數描述自由端邊界條件,獲得冷水管在內流作用下的控制方程。從流體動力項對管道做功的角度分析發現,φ對管道失穩的臨界流速有很大的影響,并且φ=0被認為是對進流口流場的正確描述;然而,通過Galerkin法分析發現,φ=0的進流口流場模型不能解釋進流口壓降Δp對動態失穩基本沒有影響的試驗現象。相反,φ≠0的進流口流場模型在使得進流口壓降Δp的影響幾乎為零的同時,還能夠獲得較大的臨界流速,與Kuiper觀察的試驗現象相符。切向流速比φ的正確評估是準確預測臨界流速的前提條件。

關鍵詞:冷水管;動態失穩;進流口流場參數;臨界流速;進流口壓降

一種新型鯨魚式潮流能發電裝置的設計與試驗研究

王世明1,李澤宇1,申  玉1,陳  炳2

(1.上海海洋大學 工程學院,上海  201306;2.陳久海洋生物集養有限公司,浙江  202450)

摘要:為了進一步提高潮流能的利用率,提出了一種新型鯨魚式潮流能發電裝置。借鑒風機葉片設計方法及水平軸水輪機的設計原理,利用結構力學、流體力學和CFD相關方法,對該裝置的螺旋槳葉、導流筒和固定樁等部件進行了設計研究,從獲能效果、裝置可靠性和發電功率等方面進行了優化設計,并通過900 W樣機試驗驗證了設計的有效性。試驗結果顯示,海流高潮期時裝置最大發電功率可達到980 W,一天內大約有4個緩潮期,此間發電功率明顯下降,但持續時間不長,總體平均發電功率在800 W上下;同時潮流能輪機啟動流速在0.41 m/s左右,有著良好的低速啟動性能。

關鍵詞:潮流能;發電功率;鯨魚式;發電裝置;獲能效率

遼東灣海洋工程可靠性設計的海冰參數選取

馬玉賢1,關  湃2,許  寧1,許有良1,袁  帥1,劉永青1,于福祥3

(1.國家海洋環境監測中心,遼寧 大連  116023;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津  300459;3. 大連測控技術研究所,遼寧 大連  116013)

摘要:海冰參數的合理取值是海洋工程海冰災害風險評估的重要內容。利用1950—2018年的冰情等級(5個等級)數據,進行了1950—2018、1950—1990、1991—2018三種情景下的回歸分析,確定了不同時期的冰情等級概率分布密度函數。利用鲅魚圈雷達觀測站2002—2017年的海冰現場實測資料,分別對鲅魚圈附近海域一般冰厚、最大冰厚、最小冰厚進行概率分布擬合。基于上述概率分布結果,給出不同冰情等級的重現期,進而對海冰作業條件給出的設計參考值進行評價。結果表明:1990年以后2級、3級冰情重現期相對1990年之前變小,4級、5級冰情重現期相對1990年之前變大,規范給出重現期范圍已不能代表遼東灣冬季海冰情況。本研究成果可為遼東灣海洋工程可靠性設計提供重要數據支撐。

關鍵詞:遼東灣;海冰參數;概率分布;重現期;可靠性設計

分汊河口地貌演變對整治工程的響應

繳  健,高祥宇,丁  磊,張新周

(南京水利科學研究院 港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室,江蘇 南京  210029)

摘要:以概化分汊河口為研究對象,針對兩汊中長期地貌演變對整治工程響應的問題,采用平面二維數學模型對整治工程前后分別進行20年地貌演變模擬。分析結果表明:整治工程對落潮含沙量影響較大,工程汊道落潮分沙比有顯著下降;整治工程主要導致工程汊道壩田區淤積和航道沖刷,同時也增加了非工程汊道的沖刷及淤積厚度;工程后工程汊道淤積量增加,沖刷量減小,沖淤總量減小,非工程汊道淤積量不變,沖刷量增加,沖淤總量增加。

關鍵詞:概化分汊河口;數學模型;整治工程;含沙量;分沙比;地貌演變

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